高速外圆磨削18CrNiMo7-6齿轮钢工艺参数优化*

王 栋，陈真真，鲁新羲

(郑州大学机械与动力工程学院，郑州 450001)

0 引言

近年来，我国高铁行业迅猛发展，带动了制造业进一步向前发展。齿轮作为现代机械产品中应用最广泛的重要基础零件之一，其制造水平的高低很大程度上决定了机械制造业实力的强弱。为了保证产品的高寿命和可靠性，加工出的齿轮必须要有高的表面精度和高的表面质量。齿轮加工的最后一步通常由磨削完成，目的是为了获得更高的表面精度，进一步降低齿轮的表面粗糙度。齿轮的失效形式主要有轮齿折断、齿面点蚀、齿面胶合、齿面磨损以及齿面的塑性变形[1]。这些失效破坏齿轮的表面质量，进而对齿轮的寿命产生不可逆转的影响。高速磨削作为一种新的先进制造技术，正逐步取得广大学者们的关注。在磨削效率、磨削表面质量等加工指标方面，高速磨削技术要优于传统磨削，一般的，砂轮线速度在45 m/s～150 m/s区间范围内的磨削称为高速磨削[2]。工件的表面质量主要取决于加工工艺，而加工工艺需要进行工艺参数的选择，实际生产过程中，工艺参数的选择主要由经验丰富的操作师傅确定。但是，此种工艺参数的选择具有随机性，因此，亟需采用科学的分析方法快速有效地针对高速磨削加工的工艺参数进行优化。

国内外大量的优秀学者针对高速磨削工艺参数的优化做了一些研究。肖军民等[3]对20CrMnTi合金钢进行高速外圆磨削试验，指出影响磨削粗糙度的因素依次是：工件线速度、磨削深度、砂轮线速度，获得了20CrMnTi渗碳合金钢粗糙度Ra≤0.3 μm时的优化磨削工艺参数。肖周强[4]对GCr15轴承钢进行高速外圆磨削试验，发现表面粗糙度随着砂轮线速度的提高而降低，随着工件转速以及磨削深度的增加而增大。Zhang Y等[5]对20CrMnTi进行高速外圆磨削试验，利用线性回归方法建立了磨削力和粗糙度的分析模型，工件表面粗糙度值随着砂轮转速的增加而减小，随工件速度、切削深度的增加而增大。Jae-Seob Kwak等[6]采用响应面法分析了淬火SCM440钢外圆磨削的表面粗糙度，建立了表面粗糙度的二阶响应曲面模型。本文以18CrNiMo7-6齿轮钢为试验材料，设计正交试验，通过高速磨削的方法对其进行加工，运用灰色关联分析的方法研究工艺参数对工件表面质量的影响，并结合正交试验分析结果，进一步获得最优工艺参数组合。

1 工艺试验

1.1 试验条件

本文试验采用高速数控凸轮轴磨床CNC8325，砂轮采用陶瓷结合剂的CBN砂轮，型号为14A1 500×30×127×5×20，浓度V175,砂轮最高线速度125 m/s,工件材料18CrNiMo7-6齿轮钢，经过渗碳淬火处理，渗碳层深度1.5～1.8 mm，热处理硬度HRC58～63，加工工件尺寸为φ35.5×80 mm，磨削方式为切入式磨削，加工方式采用逆磨，磨削余量为0.3 mm，磨削液为21-2水基磨削液。试验工艺参数的选择，主要有砂轮线速度，工件转速，砂轮径向进给速度，砂轮粒度4个参数，每个因素选取3个水平如表1所示，工艺指标选取表面三维评定参数幅度参数Sa、Sku和Ssk[7-8]。

表1 工艺参数与水平

1.2 正交试验设计

试验选用四因素三水平的L9(34)正交表进行正交试验，测得试验结果如表2所示。

表2 正交试验结果

2 试验结果分析

运用正交试验极差分析方法，对试验结果进行分析，首先以Sa为响应目标，得到的最优工艺参数组合为砂轮线速度90 m/s，工件转速60 rpm，砂轮径向进给速度0.15 mm/min，砂轮粒度W20；然后以Sku为响应目标，得到的最优工艺参数组合为砂轮线速度105 m/s，工件转速60 rpm，砂轮径向进给速度0.1 mm/min，砂轮粒度W20；最后以Ssk为响应目标，得到的最优工艺参数组合为砂轮线速度90 m/s，工件转速75 rpm，砂轮径向进给速度0.1 mm/min，砂轮粒度W20。

运用灰色关联分析方法对试验结果进行深入分析。灰色关联分析是一种利用灰色关联度顺序来描述因素间关系的强弱、大小、次序的方法[9]。其基本思想是：以试验的工艺参数数据为依据，通过数学分析的方法获得因素间的关联度及对应关系。灰色关联分析可以用来衡量多项目标的完成情况，优化整合每一个目标的完成度，将多项工艺指标的优化问题转化为优化单项灰色关联度，即将多目标优化问题转化为单目标优化问题，大大减少了试验分析的难度，进而实现工艺参数的优化，得到最优工艺参数组合[10]。

2.1 原始数据序列的量纲归一化处理

在进行灰色关联分析之前，由于原始数据序列之间量纲的不同，不能直接进行数据处理，故需要对其进行量纲归一化，量纲归一化计算公式[11]：

(1)

式中，xi(j)为第i个指标下的第j次试验；量纲归一化后的结果如表3所示。

表3 原始数据量纲归一化

2.2 求灰色相关系数

灰色相关系数，即量纲归一化后的数据结果与理想状态下的数据的关系，求解其计算公式为[12]：

(2)

2.3 求灰关联度

灰关联度的计算公式为：

(3)

式中,m为工艺指标的个数，m=3。根据式(3)计算得到相应的灰关联度值如表4所示。

表4 灰关联系数及灰关联度

2.4 工艺参数各水平的灰关联度值

由正交试验的性质及灰色关联分析方法可知，各工艺参数不同水平下的灰关联度平均值，是由各项工艺参数的不同水平决定的，与其它因素无关，灰关联度平均值的差值可体现工艺参数各水平对各项工艺指标的影响程度[14]。灰关联度值最高的参数水平组合为多项工艺指标要求下的最优工艺参数组合。经计算得出各水平的灰关联度平均值如表5所示。

表5 工艺参数各水平平均灰关联度

根据表5分析得到工艺参数水平与灰关联度平均值的关系如图1所示。从表5中的极差分析可以看出，砂轮粒度对三项工艺指标的综合影响最大，其次为砂轮径向进给速度、工件转速、砂轮线速度。从图1分析可知，最优工艺参数组合为：砂轮线速度90 m/s，工件转速90 rpm，砂轮径向进给速度0.15 mm/min，砂轮粒度W20。

(a) 砂轮线速度与灰关联度平均值的关系

(b) 工件转速与灰关联度平均值的关系

(c) 砂轮径向进给速度与灰关联度平均值的关系

(d) 砂轮粒度与灰关联度平均值的关系

3 试验验证

采用正交试验分析得到的较优参数组合有A1B1C3D3、A2B1C2D3和A1B2C2D2三组，采用灰色关联分析的方法得到的较优工艺参数组合是A1B3C3D3，经过试验验证，对比结果如表6所示。

表6 试验结果对比

根据灰关联度值的对比，发现A1B3C3D3工艺参数组合在降低了工件表面粗糙度的同时，保证了工件表面波峰波谷分布的合理性。对比正交试验极差分析与灰色关联分析结果，整合出一组工艺参数组合A1B3C2D3，经过试验验证，发现该参数组合具有最大的灰关联度值，即磨削加工的工件表面具有最好的表面质量。通过数学分析与试验结合的方法，最终选定最优工艺参数组合为A1B3C2D3，即砂轮线速度90 m/s，工件转速90 rpm，砂轮径向进给速度0.1 mm/min，砂轮粒度W20。

4 结论

本文针对18CrNiMo7-6齿轮钢进行高速外圆磨削，设计正交试验方案，通过正交试验极差分析与灰色关联分析的综合考量，确定了最优工艺参数组合为A1B3C2D3，即砂轮线速度90 m/s，工件转速90 rpm，砂轮径向进给速度0.1mm/min，砂轮粒度W20，表面粗糙度达到0.037μm。该工艺参数组合能够在获得低的表面粗糙度的同时，保证了工件表面波峰、波谷的相对数量，以及降低工件表面波峰、波谷的尖锐程度，优化效果显著。通过正交试验极差分析、灰色关联分析以及试验验证，可以有效地解决实际工作中的目标优化问题。