超声辅助磨削淬硬42CrMo钢表面质量试验研究

向道辉，牛肖肖，李章东，刘中云，冯浩人，吴邦福，陈艳斌

(河南理工大学 机械与动力工程学院，河南 焦作 454000)

0 引 言

残余应力是直接影响零件寿命的一项重要指标，很多学者对其进行了试验或建模分析探讨：明兴祖等[18]通过分析磨削螺旋齿轮并对磨削力进行有限元仿真，探究了热-力耦合条件对齿面的残余应力影响规律；吕光义等[19]对CT4材料在超声辊压后的表面进行分析，发现在超声辅助下，试件拥有了更加光洁的表面，粗糙度大幅降低，微裂纹、机械损伤概率也降低了；N.K.Jain等[20]通过对比研究传统齿轮加工与超声齿轮加工后的齿轮表面质量、微观几何形貌和疲劳性能，证明适当的加工方法能够提高齿轮的抗疲劳性能，延长其使用寿命。淬硬42CrMo钢材料淬透性好，调质处理后综合性能良好，在精密机械加工行业应用广泛[21-24]。刘中云[25]在对淬硬42CrMo钢材料进行残余应力理论分析时对超声振动能够提高残余压应力进行了论述；牛赢[26]在对钛合金Ti-6Al-4V纵扭复合超声辅助铣削残余应力研究中也对超声能够提高残余压应力进行了试验。多位学者在金属加工研究中发现，超声辅助加工对材料加工后表面质量的优劣具有一定影响。学者们对新型复合材料研究分析较为深入，但是对于高淬透性的钢材料表面质量微观方向研究较为简略，本文以淬硬42CrMo钢为研究对象，对试验材料以不同参数进行加工后，分析材料的表面残余应力、表面形貌和硬化程度。

1 磨粒运动轨迹分析

砂轮磨削加工可以视为多个磨粒同时参与切削运动的加工方式，超声辅助磨削是在普通磨削方式下，加入规律的高频振动，改变磨粒运动轨迹及与工件的接触时间。如图1所示，建立轴向超声振动模型有利于更直观观察两种磨削加工的区别。两种磨削加工方式下磨粒运动轨迹如图2所示。

图1 轴向超声振动磨削运动模型

图2 两种磨削方式单颗磨粒轨迹示意

两种磨削方式下，单颗磨粒的运动轨迹存在区别。普通磨削加工中单颗磨粒的运动轨迹方程为

(1)

超声辅助磨削单颗磨粒运动轨迹是在普通磨削方程基础上加入了超声振动z方向的正弦运动方程，

z=Asin(wst+Φ)，

(2)

式中：ws为砂轮旋转角速度；ww为砂轮线速度；ds为砂轮直径；A为振幅；Ф为超声初相位。

结合方程(1)和(2)，采用MATLAB软件仿真出两种磨削方式的单颗磨粒运动轨迹示意图，如图2所示。从图2中观察到，超声辅助磨削磨粒运动轨迹的长度大于普通磨削的，同时超声辅助磨削对工件表面不仅存在延长运动轨迹，而且还存在高频振动冲击，随着磨削参数的改变，在一定程度上能够改变工件表面材料去除方式。

从单颗磨粒轨迹图推断，多个磨粒运动轨迹会发生重叠现象，因此，砂轮磨削时会对工件表面进行重复多次磨削，这对工件表面的应力变化、表面粗糙度以及硬度都会产生影响。根据材料磨削去除理论，在普通磨削过程中磨粒运动经历3个阶段，即滑擦-犁耕-切削。在滑擦阶段，磨粒接触工件产生挤压作用，工件发生弹性变形；在犁耕阶段，摩擦作用增大，此时磨削区工件表面产生塑性变形并产生隆起；在切削阶段，磨粒对工件表面摩擦隆起工件材料被磨粒微刃切断形成切屑。超声辅助磨削过程中磨粒除了这3个运动过程之外，还增加z方向的振动冲击作用。通过对比分析超声振动磨削与普通磨削两种方式下加工后残余应力以及表面形貌和表面硬度的不同，对两种磨削过程进行分析探讨。

2 试验设备及参数

本试验在实验室VMC850型三轴立式数控加工中心完成，由于材料强度高、韧性好、热加工变形小，淬火处理后硬度高、抗疲劳性能优良，因此选用立方氮化硼(CBN)砂轮进行磨削试验。试验现场如图3所示，超声振动方向选择主轴方向磨削工件的侧平面。

探究两种磨削方式下工件表面残余应力的变化以及表面粗糙度、硬度变化规律。选择磨削深度为因变量，进给速度vs=18.32 m/s，砂轮线速度vw=200 mm/min进行试验。在试验开始前，采用平面磨床对工件材料进行粗磨，保证其工件表面初始条件相同，以便对试验结果进行分析。加工过程中每组参数进行3次重复性试验，取平均值以降低试验误差。试验过程分为超声辅助磨削与普通磨削，砂轮粒度为120#，超声振动频率为25 kHz，超声振幅4 μm．

戴威的经历堪称天之骄子，曾是北京大学学生会主席，创办ofo时就立志要改变世界。戴威以30亿元财富排名《2018胡润80后富豪榜》第32位，可以说是最著名的90后创业者和企业家。

图3 超声振动磨削试验现场

如图4所示，采用型号为LXRD的X射线残余应力分析仪，对试件表面的残余应力进行测定，并使用X射线衍射法，其工作原理是：利用X射线的衍射功能，测量由于磨削力和磨削热产生的应力作用使试件内部晶粒的晶面距离产生的变化，通过给定公式计算得出应力值。采用超景深显微系统(VHX-2000)对相同磨削参数下超声振动磨削和传统磨削淬硬42CrMo钢加工后的试件进行表面微观形貌观察。

图4 X-ray 残余应力分析仪

3 试验结果分析

3.1 磨削表面残余应力分析

磨削深度为变量，提取两种不同加工方式的残余应力值，分析不同磨削深度时的残余应力变化，图5为在不同磨削深度参数加工后工件表面残余应力变化趋势。根据Y坐标数值，两种磨削加工后工件表面残余应力均为残余压应力，黑色线表示普通磨削加工，红色线为超声辅助磨削加工。从两条线的走向趋势分析，随着磨削深度增加，两种加工方式表面残余压应力均先增大后降低，因为随着磨削深度加深，磨粒与工件表面材料接触产生的热量使得热塑性作用增强并与机械挤压作用耦合，工件表面材料去除更加容易，残余压应力增大。磨削深度继续增加，超过最合适的力-热耦合作用值，机械挤压作用占主导地位，磨粒犁耕深度增加，表面变形恢复更加困难，残余应力降低。超声振动磨削加工不仅有力-热耦合作用，而且同时超声辅助振动作用下磨粒轨迹长度增加，工件材料表面散热能力增加，工件表面材料去除更为容易，工件残余应力较高。

普通加工方式残余压应力最高的磨削深度为10 μm，超声辅助磨削残余压应力最高的磨削深度约为15 μm，超声辅助磨削最高残余压应力高于普通磨削约60 MPa。在两种加工方式下,残余压应力相叠加，超声磨削深度约为19 μm，磨削深度继续增加，表面残余压应力降低，因为磨削深度增加，磨粒对工件材料的挤压作用越明显，即磨削力增大，残余压应力随之变小。对比分析两种加工方式，超声辅助磨削能够提高磨削深度范围，提高磨削表面残余压应力，提高磨削效率。

图5 磨削深度对残余应力的影响

3.2 表面形貌分析

图6是不同磨削深度下普通磨削与超声磨削工件表面形貌图，其中，(a)、(c)、(e)与(b)、(d)、(f)分别是普通磨削加工与超声辅助磨削加工方式在磨削深度为5,15,30 μm时的表面形貌图，从(a)、(c)、(e)看到，普通磨削有明显的沟壑且连续、清晰、规则，随着磨削深度增加，磨削沟壑深度和宽度都有所增加，在磨削深度为30 μm时，普通磨削加工已经在工件表面出现烧伤痕迹，在该阶段表面磨削深度已经对工件表面产生损伤，对工件加工后使用情况可能会产生影响。(b)、(d)、(f)是超声振动辅助磨削下表面形貌，从中能够看到在超声振动作用下磨粒做正弦运动后，工件表面纹理模糊，划边缘棱条不明显，且随着磨削深度增加，超声作用越来越明显，表面形貌越来越模糊，而且从(b)、(d)、(f)中能够看到,超声磨削加工后表面沟壑变浅、变窄，这是超声振动辅助加工后提高表面质量的体现。在磨削深度为30 μm时，超声辅助磨削后工件表面则没有出现烧伤等情况，说明超声辅助磨削提高了磨削深度范围。

图6 不同磨削深度下两种磨削加工方式表面形貌

图7是两种磨削加工后表面3D形貌图，对表面形貌垂直磨削方向进行表面轮廓线提取，如图8所示，进行表面质量分析。图7(a)与图8(a)是普通磨削加工条件下表面的3D形貌图以及提取的工件表面轮廓线，图7(b)与图8(b)是超声辅助磨削加工条件下表面的3D形貌图以及提取的工件表面轮廓线。对比分析图7中(a)、(b)，超声辅助磨削表面沟壑纹理模糊宽度小，这与超声磨削时磨粒的正弦轨迹有关，在表面同一点，不同的磨粒在超声振动的条件下，进行多次磨削，将工件表面磨削过程中因为犁耕作用产生的凸起再次进行磨削，整个表面平整光滑度高于普通磨削表面。结合图8(a)与(b),两种加工方式下表面提取的轮廓线，超声辅助磨削作用下，磨粒对平面同一位置磨削次数增加，但是轮廓深度与变化范围远低于普通磨削加工，超声辅助磨削能够降低表面轮廓波动范围，提高表面质量。

图7 两种磨削加工方式下磨削表面3D形貌

图8 两种磨削加工方式下磨削表面轮廓线

3.3 表面硬度分析

工件表面的显微硬度是评价加工方式的一个重要参考因素，表面显微硬度越高，加工效果越好。通过测量显微硬度能够分析加工后工件表面质量，结合表面加工形貌,可以对加工方式进行综合评价。

采用硬度测量仪器测量加工后不同磨削深度下工件表面的显微硬度，结果如图9所示。由图9可知，磨削加工后的表面硬度均有所提高，普通磨削提高约140 HV，超声磨削提高约160 HV。由图9可知，两种加工方式下，显微硬度曲线变化趋势是一样的，超声辅助磨削方式显微硬度变化明显高于普通磨削方式，因为超声辅助磨削过程中工件表面受到不同磨粒的重复磨削，对工件表面的硬度有强化作用。在磨削深度为15μm时，两种加工方法的显微硬度高于其他磨削深度参数值，对比分析两种加工方式，超声振动辅助磨削加工方式下，工件表面的显微硬度整体高于普通磨削，因为超声振动条件下磨粒过程中对工件表面的挤压和冲击作用比普通磨削更为显著，工件表面材料的应变率更高，而且超声振动加工改善了砂轮堵塞问题，易于排屑，磨削温度低。

图9 不同磨削深度下表面显微硬度曲线

4 结 论

通过分析表面残余应力、表面形貌以及表面显微硬度可知，超声振动辅助磨削加工方式能够提高工件表面的残余压应力，降低磨削表面轮廓波动范围，提高表面硬度，超声辅助磨削加工方法对工件的表面质量以及表面应力状态优于普通磨削加工方法。

超声振动辅助磨削下的残余压应力大于普通磨削的残余压应力；随着磨削深度的增加，残余压应力的数值先增大后减小，超声磨削比普通磨削的残余压应力提高11.0%～30.8%。

超声振动辅助磨削方式下，由于超声高频振动冲击作用,表面轮廓波动范围与传统磨削相比降低约80%，工件表面质量提高，显微硬度提高约10%。