成形砂轮修整对18CrNiMo7-6钢磨削表面完整性的影响＊

郜 伟，李梦琪，殷会鹏，张银霞，刘治华

（1.郑州大学 机械与动力工程学院,郑州 450001）

（2.郑州大学 河南省资源与材料工业技术研究院,郑州 450001）

数控成形磨削加工具有数字化、高柔性化、高精度加工、高效率等特点，是提高工件形面精度和表面质量的合理、有效的加工方式[1]。成形砂轮修整是成形磨削的关键技术之一，与一般砂轮的修整不同，其不仅要保证修去砂轮工作表面已磨损的部分，以恢复砂轮的磨削性能，还需要保证砂轮外圆被修整成与复杂工件轮廓相吻合的形状，从而实现复杂轮廓的磨削。因此，研究成形砂轮修整是精密、超精密加工技术的重中之重[2]。

金刚石碟轮和单颗粒金刚石笔因其耐磨性高、使用寿命长、修整质量高等特点，适用于高精度成形砂轮修整[3]。然而，不同的成形砂轮修整工具和修整工艺参数均会对砂轮的形面精度和表面质量产生影响，进而也会对磨削表面完整性产生影响[4]。邓效忠等[5]通过分析等距曲线原则，求解金刚轮修整砂轮的运动轨迹，并基于Matlab进行了成形砂轮修整的二次开发，实现了“等距 + 移距”修整方式下的摆线轮成形磨削砂轮的修整仿真分析。袁尚勇等[6]通过研究电火花机械磨削法成形修整粗粒度金刚石砂轮，分析了该成形修整方法的材料去除机理，并对影响砂轮修整精度及效率的放电参数进行了优化。DERKX等[7]对成形磨粒破碎修整方法修整金刚石砂轮进行了研究，开发了一种可与修整砂轮同步控制的形状挤压轮廓系统，该系统可以很大限度地提高成形砂轮的耐磨性能。HE等[8]提出了一种应用于数控成形磨削的修整圆盘砂轮轴向截面轮廓形状的计算方法，通过研究圆柱齿轮的原理和轮廓加工原理，建立了圆柱齿轮渐开线表面成形磨削的数学模型。由此可见，目前国内外学者关于成形砂轮修整方法和机理的研究较为丰富，但是关于成形砂轮修整工艺对磨削性能以及表面完整性影响的研究则较少。

18CrNiMo7-6是一种表面硬化的合金结构钢，因其具有优良的综合机械性能，被普遍使用于变速箱齿轮的生产中[9-11]。孔德群等[12]研究了残余应力与磨削裂纹形成和扩展的影响关系以及18CrNiMo7-6钢渗碳淬火后磨削烧伤与金相组织的影响关系。张锦涛[13]探究了干式外圆切入磨削的磨削参数对18CrNiMo7-6钢的磨削温度及表面完整性的影响规律。ZHANG等[14]对18CrNiMo7-6齿轮钢进行了单因素试验，研究了高速外圆磨削对18CrNiMo7-6表层硬度和显微组织的影响。由此可见，关于磨削加工工艺对18CrNiMo7-6钢磨削性能和表面完整性影响的研究较多，但是关于成形砂轮修整工艺对18CrNiMo7-6钢磨削性能和表面完整性影响的研究则较少。因此，选取残余应力和表面粗糙度这2个表面完整性评价指标，重点探究不同的成形砂轮修整工艺及修整参数对磨削后试样表面完整性的影响规律。

为研究18CrNiMo7-6钢疲劳试样工作区域的成形磨削砂轮修整工艺，分别采用树脂结合剂金刚石碟形砂轮、青铜结合剂金刚石碟形砂轮和单颗粒金刚石修整笔对陶瓷结合剂铬刚玉砂轮进行成形砂轮修整工艺参数对磨削性能影响的正交试验，通过将磨削后试样表层残余应力和表面粗糙度作为评价指标，采用归一化无量纲方法分析探究不同成形砂轮修整工艺对磨削表面完整性的影响。

1 试验方案

1.1 修整试验方案

试验在MKE1620A数控外圆磨床上进行。采用电主轴带动修整碟轮转动，并通过定制的底座将其固定到MKE1620A数控端面外圆磨床的工作台上，实现金刚石碟轮的成形修整。在磨床上固定单颗粒金刚石笔即可实现单颗粒金刚石笔的成形修整。试验原理如图1和图2所示。

图1 金刚石碟轮修整原理图Fig.1 Schematic diagram of diamond disc wheel dressing

图2 单颗粒金刚石笔修整原理图Fig.2 Schematic diagram of single particle diamond pen dressing

采用粒度号为F60，外径为400 mm，宽度为40 mm的陶瓷结合剂铬刚玉砂轮作为被修砂轮；而为了能顺利去除被修砂轮的磨损部分，修整轮粒度应小于被修砂轮粒度，故采用粒度号为F36，外径为150 mm，砂宽和砂厚均为5 mm，斜边角度为45°的树脂结合剂金刚石碟轮和青铜结合剂金刚石碟轮作为修整轮进行试验；采用型号为L1的单颗粒金刚石笔进行修整试验。图3为试验所用的修整工具，图4为使用树脂金刚石碟轮数控成形修整铬刚玉砂轮的过程，整个修整和磨削过程均需注入冷却液（采用水基乳化液作为冷却液进行冷却）。

图3 树脂结合剂金刚石碟轮、青铜结合剂金刚石碟轮和单颗粒金刚石笔Fig.3 Resin bonded diamond disc wheel,bronze bonded diamond disc wheel and single particle diamond pen

图4 树脂金刚石碟轮数控成形修整铬刚玉砂轮Fig.4 Resin bonded diamond disc wheel CNC forming and dressing chrome corundum grinding wheel

以金刚石碟轮的修整切深ad、轴向进给速度fd和修整速比qd（修整轮与被修砂轮线速度之比）为因素设计3因素3水平正交试验，并以单颗粒金刚石笔的修整切深ad、轴向进给速度fd为因素设计2因素3水平正交试验，砂轮线速度及修整速比qd试验参数如表1所示，正交试验参数如表2所示，其中单颗粒金刚石笔没有修整速比qd参数。修整时，在每个预设的修整工艺参数下成形修整5次，再进行2次光修。

表1 砂轮线速度及修整速比试验参数Tab.1 Test parameters of grinding wheel linear speed and dressing speed ratio

表2 修整正交试验参数Tab.2 Trimming orthogonal test parameters

1.2 试样准备及磨削试验方法

将长度为82 mm，直径为14.5 mm的试样车成带有圆弧段的疲劳试样，然后进行热处理：渗碳—油浴淬火—低温回火—自然冷却，最后进行磨削加工，磨削时采用横磨的方法，即工件不需做纵向进给运动，砂轮以缓慢的速度朝工件做横向进给运动，直到磨去全部余量，磨削试样尺寸要求如图5所示。每磨削2个试样修整1次砂轮，修整工具为单颗粒金刚石笔。制备完成后的试样，渗碳层深度为0.7 mm，表面残余应力为-200～-250 MPa，表面硬度为56～60 HRC。

图5 试样零件图Fig.5 Sample parts drawing

分别采用各个修整工艺参数来修整砂轮，并使用修整后的砂轮在相同的磨削工艺参数下磨削18CrNiMo7-6试样，磨削工艺参数见表3。

表3 横磨工艺参数设定Tab.3 Horizontal grinding process parameter setting

1.3 检测仪器

残余应力采用Proto 公司的LXRD 残余应力分析仪，其采用的原理为X射线衍射法。表面粗糙度采用Bruker公司的NPFLEX表面轮廓仪进行检测。测量时每个试样的工作部分随机选取3个点，分别测量这3个点的表层轴向残余应力σx、周向残余应力σy以及表面粗糙度Ra，并取平均值。

2 结果与分析

2.1 修整工艺参数对磨削表面完整性的影响

2.1.1 修整切深ad对磨削表面完整性的影响

不同修整工具条件下，修整切深ad对表面完整性的影响如图6所示。由图6可知：随着ad的增大，磨削表面更容易形成残余压应力，其中由青铜结合剂金刚石碟轮修整的砂轮磨削加工表面产生的轴向残余压应力和周向残余压应力最大，树脂结合剂金刚石碟轮修整砂轮的次之，单颗粒金刚石笔修整砂轮的最小，且前2种修整方法加工表面残余应力随着ad的增大变化趋势平缓，后者变化较为明显。随着ad的增大，磨削表面粗糙度整体呈增大趋势，其中单颗粒金刚石笔修整的砂轮磨削加工后，加工表面的粗糙度最低，青铜结合剂金刚石碟轮修整的砂轮在ad较小时，加工表面粗糙度优于树脂结合剂金刚石碟轮修整砂轮的，但随着ad的增大，后者的表面粗糙度将优于前者的。

图6 不同修整工具下修整切深对表面完整性的影响Fig.6 Effect of trimming depth of cut on surface integrity with different trimming tools

这是因为随着ad的增大，修整后砂轮磨粒突出结合剂的高度增大，砂轮磨粒锋利，磨削的切削作用强，且容屑空间也大，磨削温度低，由磨粒的机械作用引起的塑性变形作用占比增大，有利于形成磨削残余压应力[15]。然而随着修整切深的增大，砂轮磨粒发生更大程度的破碎和脱落，砂轮表面有效粗糙度值增大，并以一定的比例反映在工件上，从而导致磨削加工表面粗糙度值增大[16]。

2.1.2 轴向进给速度fd对磨削表面完整性的影响

不同修整工具条件下，轴向进给速度fd对表面完整性的影响如图7所示。由图7可知：随着fd的增大，磨削表面更容易形成残余压应力。

图7 不同修整工具下轴向进给速度对表面完整性的影响Fig.7 Effect of axial feed rate on surface integrity with different dressing tools

青铜结合剂金刚石碟轮修整的砂轮磨削后加工表面产生的轴向残余压应力和周向残余压应力最大，树脂结合剂金刚石碟轮修整砂轮的次之，单颗粒金刚石笔修整砂轮的最小。随着fd的增大，磨削表面粗糙度逐渐增大，单颗粒金刚石笔修整的砂轮磨削加工后，加工表面的粗糙度最低，青铜结合剂金刚石碟轮修整的砂轮在fd较小时，加工表面优于树脂结合剂金刚石碟轮修整砂轮的，但随着fd的增大，后者的表面粗糙度将优于前者的。

出现这种现象的原因可能是，随着fd的增大，磨粒主要发生宏观破碎形成新的锋利的微刃，砂轮的切削能力增强；同时砂轮表面切削刃密度降低，磨削温度低，磨削的机械作用引起的塑性变形作用占比增大，产生较大的残余压应力[16]。然而，随着fd的增大，金刚石颗粒对砂轮上磨粒的冲击作用增强，砂轮表面磨粒间距增大，产生较大的未变形厚度，从而导致磨削产生更深的磨痕，进而导致磨削加工表面粗糙度值增大[17]。

2.1.3 修整速比qd对磨削表面完整性的影响

不同修整工具条件下，修整速比qd对表面完整性的影响如图8所示。由图8可知：随着qd的增大，磨削表面更容易形成残余压应力，且在qd为0.6时残余压应力会增大，但整体上，青铜结合剂金刚石碟轮修整的砂轮磨削后，加工表面产生的轴向残余压应力和周向残余压应力均优于树脂结合剂金刚石碟轮修整砂轮的。随着qd的增大，磨削表面粗糙度Ra整体呈增大趋势，青铜结合剂金刚石碟轮修整的砂轮磨削加工后，加工表面的粗糙度变化趋势较为明显，而树脂结合剂金刚石碟轮修整的砂轮变化较为平缓；且在qd较小时，前者加工表面的粗糙度较好，随着qd的增大，情况则相反。

图8 不同修整工具下，修整速比对表面完整性的影响Fig.8 Effect of dressing speed ratio on surface integrity with different dressing tools

其原因是qd的变化改变了修整时切削作用与挤压作用的比例，当qd增大时，由于修整轮线速度接近于砂轮线速度，修磨作用急剧减弱而挤压作用急剧增强，磨粒易发生宏观破碎而形成大量锋利的切削刃，导致磨削加工表面粗糙度值增大；同时砂轮磨削能力增强，这时砂轮磨削的机械作用引起的塑性变形作用占比增大，因此残余压应力值较大[18]。

2.1.4 修整工具对磨削表面完整性影响对比

由上述研究结果可知，采用单颗粒金刚石笔修整的砂轮磨削加工表面粗糙度值最小，树脂结合剂金刚石碟轮次之，青铜结合剂金刚石碟轮修整的砂轮磨削加工表面最为粗糙。然而，使用青铜结合剂金刚石碟轮修整的砂轮磨削更容易形成较大的表面残余压应力，树脂结合剂金刚石碟轮次之，单颗粒金刚石笔修整的砂轮磨削形成的表层残余压应力值最小。这是由于青铜结合剂金刚石碟轮的强度更高，耐磨性能更好，修整砂轮时以挤压作用为主，更容易修整出比较锋利的切削刃，使得砂轮磨削性能更强；而树脂结合剂有较好的抛光性能和一定的弹性，修整出的砂轮表面较平滑，磨削性能较差，因此采用前者修整后砂轮磨削更容易形成对抗疲劳性能有益的残余压应力，然而其磨削加工表面更加粗糙[19]。

使用单颗粒金刚石笔修整后砂轮磨削得到的残余压应力最小，这是因为在相同的修整切深和轴向进给速度的前提下，与金刚石碟轮修整时相比，单颗粒金刚石笔是固定的，在金刚石笔和砂轮的接触点处的相对速度大，修整的修磨作用占比大，修整后的砂轮表面粗糙度值更低，磨削能力也最差，因此磨削加工表面表面粗糙度值更低，然而得到的残余压应力最小。

2.2 修整工具对表面完整性的影响对比分析

在相同的修整工艺参数条件下，采用青铜结合剂金刚石碟轮修整可以形成较大的残余压应力，然而其表面粗糙度较差；采用单颗粒金刚石笔修整可以得到表面粗糙度值更低的表面，然而其残余压应力最小。故采用归一化无量纲方法对各修整工艺下所测得的表面完整性指标进行综合评价[20]。

综合考虑磨削加工工艺作用以及表面粗糙度和残余应力对疲劳性能的影响程度，给出各个表面完整性指标的影响权重值：表面粗糙度Ra为0.4，轴向残余应力和周向残余应力均为0.3[21]。由于表面粗糙度Ra值越小越好，而轴向和周向残余压应力值越大越好，则在某个修整工艺参数下测得的表面完整性综合量值Xi如式（1）所示：

式中：Rai、σxi和σyi分别为第i个修整工艺参数下测得的表面粗糙度Ra值、轴向残余应力值和周向残余应力值；Ramin和Ramax分别为所有表面粗糙度最小值和最大值；σxmin和σxmax分别为所有轴向残余应力的最小值和最大值；σymin和σymax分别为所有周向残余应力的最小值和最大值；n、m1和m2分别为表面粗糙度、轴向残余应力和周向残余应力的影响权值。

由式（1）可看出：综合量值越接近于1，表明表面粗糙度Ra越接近最小值，而残余压应力值σx和σy越接近最大值，即表明此时磨削加工表面完整性越好。

金刚石碟轮和单颗粒金刚石笔修整时磨削表面完整性综合量值如表4和表5所示。在本试验所选数值范围内，综合考虑表面粗糙度和残余应力，采用青铜结合剂金刚石碟轮修整时的综合量值平均值最高，表示其表面完整性优于其他2种修整方法的。而采用青铜结合剂金刚石碟轮修整在ad=4 μm，fd=100 mm/min，qd=0.3时综合量值达到了0.706 182，为所有综合量值的最高值，此时磨削表面完整性较优。

表4 金刚石碟轮修整后磨削表面完整性无量纲综合量值Tab.4 Dimensionless comprehensive value of grinding surface integrity of diamond disc wheel after dressing

表5 单颗粒金刚石笔修整后磨削表面完整性无量纲综合量值Tab.5 Dimensionless comprehensive value of ground surface integrity after dressing with single particle diamond pen

3 结论

针对不同砂轮修整工具和修整工艺参数对磨削表面完整性的影响进行试验分析，得到以下结论：

（1）使用树脂结合剂金刚石碟轮、青铜结合剂金刚石碟轮和单颗粒金刚石修整笔3种砂轮修整工具修整砂轮时，随着各修整工艺参数的增大，磨削表面更容易获得对抑制疲劳裂纹扩展有益的残余压应力，但其磨削表面粗糙度Ra值也随之增大。

（2）使用青铜结合剂金刚石碟轮修整后磨削更容易获得较大的残余压应力，而使用单颗粒金刚石笔修整后容易获得表面粗糙度值更低的磨削加工表面。

（3）采用归一化无量纲方法综合评价3种修整工具磨削表面完整性，在所选参数范围内，采用青铜结合剂金刚石碟轮修整时，其表面完整性优于其他2种修整方法的。而采用青铜结合剂金刚石碟轮修整在修整切深ad、轴向进给速度fd和修整速比qd分别为4 μm、100 mm/min和0.3时综合量值最大，此时使磨削表面完整性较优。