20CrMnTi钢齿面局部点磨削力实验

刘　谦， 杨理钧， 田欣利， 王　龙， 闫鹏辉

(1. 装甲兵工程学院装备维修与再制造技术国防科技重点实验室， 北京 100072;2. 陕西法士特齿轮有限责任公司工艺研究所， 陕西 西安 710119)



20CrMnTi钢齿面局部点磨削力实验

刘谦1， 杨理钧1， 田欣利1， 王龙1， 闫鹏辉2

(1. 装甲兵工程学院装备维修与再制造技术国防科技重点实验室， 北京 100072;2. 陕西法士特齿轮有限责任公司工艺研究所， 陕西 西安 710119)

摘要：为研究20CrMnTi钢齿面局部点磨削过程的磨削机理，建立了20CrMnTi钢齿面局部点磨削实验系统，提供了一种探索磨齿机理的模拟手段，跟踪观察了齿面划痕的磨削效果和微观形貌，拟定正交试验条件，测量了不同试验条件下局部点磨削过程的磨削力变化。结果表明：磨痕显微形貌存在明显的塑性隆起、应变硬化和热软化迹象；试件磨削力随着磨削速度的增大而减小，却随着进给速度和磨削深度的增大而增大；相对于法向磨削力，进给速度对切向磨削力的作用更为显著。

关键词：20CrMnTi钢； 齿面； 磨削力； 磨削机理

齿轮不仅是机械传动的核心元件，而且是制造业的关键基础件[1-2]。磨削加工是18CrMnNiMo、20CrMnTi和20CrMnMo等[3-6]渗碳钢齿轮的最终工序和主要精加工手段，其中蜗杆砂轮磨齿和成型砂轮磨齿已成为市场竞争的主流技术[7-9]。目前，国内学者已针对磨齿进行了实验研究，如：赵艳杰等[10]阐述了蜗杆砂轮磨齿的工作原理，主要针对蜗杆砂轮磨齿中的齿轮烧伤问题，对产生烧伤的原因进行了分析并提出了解决措施；丁军鹏[11]进行了成形磨齿实验，研究了粗磨和精磨下磨削工艺参数的影响，为磨齿加工提供了实验依据。但上述实验大多针对磨齿全过程，关于磨齿局部点磨削的研究还较少。利用蜗杆砂轮展成法磨削直齿轮和用扩口杯砂轮磨削螺旋锥齿轮时，理想状态下齿面与砂轮为点或线的局部接触。齿面上每个瞬时磨削的局部点近似于普通外圆磨削，齿面磨削的接触弧为延长摆线，过程复杂且受偶然因素影响较大。因此，为方便研究磨削过程，笔者运用薄片砂轮对20CrMnTi钢齿面局部点进行磨削，研究不同加工参数作用下的磨削痕迹和磨削力，提供一种初步探索高效精密磨削工艺的可行性手段，以期更好了解局部点磨齿的磨削机理，为下一步的蜗杆砂轮展成磨齿实验提供指导。

1实验材料

采用图1所示的薄片型烧结金刚石砂轮对齿面局部点进行磨削，其砂轮外径为100mm。工件采用20CrMnTi渗碳淬火钢齿条，模数为4mm，齿长为100mm, 齿宽为30mm，表面硬度为58～62HRC，密度为7 800kg/m3，弹性模量为207GPa，泊松比为0.25。

图1薄片型烧结金刚石砂轮

图2为20CrMnTi渗碳钢的齿面局部点磨削实验系统。将薄片砂轮固定在FANUCBV75立式加工中心主轴高速旋转，在无冷却液条件下完成对齿面磨削力的测量实验，且取3次实验所测磨削力最大值的平均值作为衡量指标。

选用瑞士KISTLER94272型号的高性能应变片式车铣钻磨通用测力仪，测量范围设为0～1 000N，采样频率设为10kHz。采用爱国者GE-5光学放大镜观察划痕效果，其可与电脑连接，在显示屏上显示待测物品的形貌。采用NovaNanoSEM450型环境扫描电子显微镜观察齿面磨削痕迹的微观形貌。

图2齿面局部点磨削实验系统

2结果与分析

金属材料变形过程常伴有大应变、高应变率和较高的温升，同时存在应变硬化、应变率强化以及热软化3种作用[12-13]。图3、4分别为对20CrMnTi钢齿面放大50倍的磨痕效果及磨削痕迹的微观形貌。可以看出：1)磨痕两侧会形成塑性隆起，沟槽底部材料有塑性应变强化和热软化痕迹；2)磨痕底部沿磨削方向存在磨粒产生的微观划擦痕迹。由上述现象可推测：20CrMnTi齿面去除时也存在应变硬化、应变率强化及热软化3种作用。

图3磨痕效果微观形貌

图4磨削痕迹微观形貌

在磨削过程中，砂轮主要受到沿砂轮线速度方向的切向摩擦力和垂直于齿面方向的法向摩擦力；而在垂直进给方向上，磨痕两侧对磨粒的摩擦力和挤压力很小，可以忽略。针对磨削速度、进给速度和磨削深度3个磨削用量因素，根据表1中正交试验条件对20CrMnTi钢齿面局部点磨削的磨削力进行研究。

表2、3分别为法向磨削力和切向磨削力的直观分析和方差分析结果。由表2可知：磨削速度、进给速度和磨削深度3个因素在各水平下平均法向磨削力的极差分别为2.55、0.6、7.4，F比分别为0.301、0.017、2.682，这说明对法向磨削力的影响程度按进给速度、磨削速度、磨削深度依次增强。同样，由表3可知：进给速度、磨削速度和磨削深度对切向磨削力的影响程度依次增强；此外，切向磨削力的进给速度F比为0.131,显然大于法向磨削力的0.017，说明进给速度对切向磨削力的影响程度大于法向磨削力。

分别取表2、3中不同水平的磨削用量作为横坐标，以对应不同水平条件下的平均法向力和平均切向力作为纵坐标，绘出各磨削用量与平均磨削力之间的变化关系曲线，如图5所示。由图5(a)可知：磨削力随着磨削速度的增大而减小。其原因为：当砂轮线速度增大时，导致单位时间内参与切削的磨粒数量增多，且相对减小了单颗磨粒的最大未变形切屑厚度。由图5(b)可知：磨削力随着进给速度的增大而略有增大的趋势，但变化不明显。其原因为：随着进给速度的增大，单位时间内去除的材料有所增多。由图5(c)可知：磨削力随着磨削深度的增大而增大。其原因为：随着磨削深度的增大，导致切屑未变形厚度和切屑变形抗力的增大。

图5平均磨削力随磨削用量的变化关系曲线

3结论

通过建立20CrMnTi钢齿面局部点磨削实验系统，对磨削力和磨痕显微形貌进行了探讨，磨痕形貌分析表明磨痕沟槽底部材料有塑性应变强化和热软化痕迹，可推测齿面材料去除过程同时存在应变硬化、应变率强化以及热软化3类作用；对20CrMnTi钢齿面局部点磨削的磨削力进行了正交试验分析，发现进给速度、磨削速度和磨削深度对法向磨削力的影响程度依次增强，且与法向磨削力相比，进给速度对切向磨削力的作用更显著；磨削力随着进给速度和磨削深度的增大而增大，但随着磨削速度的增大而减小。对齿面局部点磨削力和磨痕形貌的研究为下一步研究齿面磨削机理提供了指导。

参考文献：

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[13]TangJY,YinF,ChenXM.ThePrincipleofProfileModifiedFace-gearGrindingBasedonDiskWheel[J].MechanismandMachineTheory, 2013, 70(6):1-15.

(责任编辑: 尚菲菲)

Experiment of Local Point Grinding Force on the Tooth Surface of 20CrMnTi Steel

LIUQian1,YANGLi-jun1,TIANXin-li1,WANGLong1,YANPeng-hui2

(1.NationalDefenseKeyLaboratoryforRemanufacturingTechnology,AcademyofArmoredForceEngineering,Beijing100072,China；2.TechnologicalResearchInstitute,ShaanxiFashiteGearCo.Ltd.,Xi’an710119,China)

Keywords:20CrMnTisteel;toothsurface;grindingforce;grindingmechanism

Abstract：Tostudygrindingmechanismonlocalpointgrindingof20CrMnTisteeltoothsurface,thelocalpointgrindingtestsystemoftoothsurfaceisestablished,whichprovidesasimulationmethodtoexplorethegrindingmechanism.Themicroscopicmorphologyandtheeffectofgrindingtraceareobserved,andthechangesofgrindingforcesignalsindifferentgrindingconditionsaremeasuredbydrawinganorthogonalexperiment.Themicrotopographyofgrindingtraceshowsthatthereareobviousplasticbulge,strainhardeningandthermalsoftening.Thegrindingforcedecreaseswiththeincreaseofgrindingspeed,butincreaseswiththeincreaseoffeedspeedandgrindingdepth.Theeffectoffeedrateontangentialforceismoresignificantthanthatofnormalforce.

文章编号：1672-1497(2016)03-0090-04

收稿日期：2016-03-25

基金项目：国家科技重大专项(2015ZX04003006)

作者简介：刘谦(1973-)，男，副教授，博士。

中图分类号：TG580.1；TH142.2

文献标志码：A

DOI：10.3969/j.issn.1672-1497.2016.03.019