难加工材料成形磨削烧伤研究

上海交通大学学报

第31卷第9期JOU RNAL O F SHAN GHA I J I AO TON G UN I V ER S IT Y V o l.31№91997难加工材料成形磨削烧伤研究3

陈　明

(上海交通大学机械工程系)

摘　要　采用金相分析法,分析齿轮烧伤试件的齿面温度分布状态,结合成形磨削齿条的模拟试验,研究成形磨削烧伤形成机理及影响因素,提出了避免成形磨削烧伤的工艺措施.研制出新的结构砂轮,应用结果表明,CBN(立方氮化硼)断续内冷却缓磨工艺在难加工材料高效高精度成形磨削中具有广阔的应用前景.

关键词　成形磨削;难加工材料;磨削烧伤

中图法分类号　T G580.618

成形磨削是一种高精度、高生产率的磨削方法.航空航天部门中许多重要零件如航空齿轮、发动机叶片榫槽等均采用成形磨削作为最后精加工工序.然而,航空难加工材料在成形磨削过程中,极易发生磨削烧伤现象.发生烧伤的零件,其表面极薄的氧化层色斑在磨削过程中极易被去除而难以识别,但烧伤变质层依然存在,该零件若混入正常零件之中装配,势必会造成严重的质量事故.因而深入研究成形磨削烧伤机理及其改善措施,对获得高的生产率和良好的表面质量具有重要的现实意义.

关于磨削烧伤机理的研究,国内外许多学者都集中在普通磨削方面,而关于难加工材料成形磨削烧伤的研究很少见有报道.本文以表面硬化钢齿轮的研究对象,分析齿面表层磨削温度分布状态.通过对齿条进行成形磨削模拟试验,以及磨削力、磨削温度和砂轮磨损的测量等基础研究,揭示成形磨削烧伤机理并提出改善措施.

1　试验条件与测试方案

1.1　试验条件

①机床:MM D7125高精度缓进平面磨床.②砂轮:P300×15×127W A46K6V,30m s;CBN断续内冷却成形砂轮,磨料DL1,浓度200%,粒度100目,宽度B=8mm,开槽型式0° 171槽,沟槽因子Γ= 54.5%.③工件:12C r2N i4A表面硬化钢齿轮和标准齿条,TC4钛合金,GH4169镍基高温合金,D Z4定向结晶铸造高温合金.④磨削用量:砂轮速度v s=15～30m s,工件进给速度v w=0.01～9.4m m in,磨削深度a p=0.005～3.5mm.⑤磨削液:4%乳化液.⑥磨削方式:切入式顺磨.⑦修整条件:单点金刚石修整笔;修整深度a d=10～20Λm 次;修整导程l d=0.15～0.3mm r.

1.2　测试方案

采用分块试件夹丝的半人工热电偶测温方案.磨削力用八角环测力仪测量.用复映法进行砂轮磨损的测量.用扫描电子显微镜测量加工表面形貌.采用大型金相显微镜进行金相组织的观察,用显微硬度计测量表面层显微硬度.

2　试验结果及讨论

2.1　成形磨削烧伤机理研究

磨削烧伤本质上是工件材料在磨削弧区高温持续作用下,表面层微观组织所发生的的一种不可逆的变化.弧区最高平均温度是引起磨削烧伤的直接因素[1].因此,获取关于工件磨削表层温度分布的真

收稿日期:1996210225

3国家自然科学基金资助项目编号(59075239.)

作者:男,1966年生,副教授,博士后.邮编:200030.

实状态,是揭示成形磨削烧伤机理的关键.成形磨削由于型面复杂,各点磨削条件差异很大,影响因素繁多,很难用简单测定法或理论计算方法求得磨削温度分布.而磨削表层金相组织的变化可以客观地反映磨削温度分布状态,所以本文采用金相分析法对烧伤齿轮的齿侧及齿底表层磨削温度分布进行估算.当然,估算结果的正确性很大程度上取决于烧伤试样金相制作水平以及能否获取关于磨削温度与表面层金相组织的对应关系.鉴于此,作者通过多次试验,已完成烧伤试样金相制作.并且,利用普通平面磨削时垂直磨削方向的工件剖面中磨削条件及参数基本一致的特点,通过大量切入式平面磨削试验,获得了表面硬化钢试件表层磨削弧区最高平均温度与其表层显微硬度分布、金相组织、表面形貌特征及烧伤色斑之间良好的对应关系[2],如图1所示.图2所示为齿底及齿侧面均已发生烧伤的齿轮剖面金相组织图.可见,齿面表层各点金相组织状态差异较大,不同厚度的白色二次淬硬层、回火烧伤组织层及正常针状马氏体组织同时存在于齿面各个区域.应用图1所示试验结果,可估算出其对应的表层磨削温度分布范围,结果如图3所示.可见,在齿轮成形磨削中,齿面各点磨削温度差异很大.齿底及齿侧靠近齿根部分往往是磨削温度最高区,产生烧伤的可能性最大

.

图1　表面硬化钢磨削表面层各种特性与磨削弧区最高平均温度T m ax 之间的对应关系

2.2　成形磨削烧伤影响因素分析

影响磨削温度分布的因素很多,本文针对成形磨削特点,仅从磨削余量分配、工件装夹方式及成形砂轮磨损状态等方面分析对成形磨削烧伤的影响情况.

2.2.1　磨削余量分配　留有磨削余量的齿面在渗碳淬火后,都要经过成形磨削的粗磨和精磨阶段,才能得到与砂轮型面相同的齿轮廓形.在进入精磨阶段后,由于齿轮渐开线齿侧面各点压力角不同,因而齿面各点法向磨削深度不同,齿底切深最大(如图4所示).图5所示为成形磨削齿条时,随径向磨削深度a p 变化,齿底及齿侧面磨削温度的测试结果.图中T 1m ax 和T 2m ax 分别表示齿底及齿侧面磨削弧区最高

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5陈　明:难加工材料成形磨削烧伤研究

平均温度.可见,随磨削深度的增加,T 1m ax 及T 2m ax 均增大,但T 1m ax 相应要比T 2m ax 大150～400°C ,这在一定程度上验证了图3分析的正确性.如果采用磨前滚刀加工齿坯,使齿底磨削余量大幅度减少,并使整个齿面上磨削余量分配合理,则磨削条件将大为改善,可有效避免磨削烧伤的发生

.

图2

　烧伤齿轮试件剖面金相组织照片图3　烧伤齿轮齿面表层磨削温度分布曲线

1-1000～1200°C 5-600～700°C

2-900～1000°C 6-500～600°C

3-800～900°C

7-350～500°C

4-700～800°

C 图4

　精磨齿轮工作示意图 图5　齿底及齿侧面磨削弧区最高平均温度

随径向磨削深度变化关系曲线

2.2.2　工件装夹方式　在实际生产中,为了提高生产率,往往将若干零件串行装夹进行成形磨削.为了研究这种装夹方式对磨削温度的影响,本文先将4个齿条试件紧密串夹在一起进行成形磨削(如图6(a )所示),并在A 、B 两点夹丝测量磨削温度,测量结果如图6(c )中曲线1所示

.可见在一次行程中B 点比A 点温度高200～300°C ,随着行程次数的增加,A 、B 两点磨削温度上升很快

.若在相邻试件中间安装垫块,如图6(b )所示,形成断续磨削条件,磨削用量同连续磨削时一样,测量C 、D 两点磨削温度,结果如图6(c )中曲线2所示.可见,随着行程次数的增加,C 、D 两点磨削温度始终维持在较低水平上.比较曲线1和2可知,在同样磨削长度L 条件下,间断装夹方式比连续装夹方式磨削温度低100～400°

C ,因而对避免磨削烧伤的发生十分有利

.2.2.3　成形砂轮磨损状态　在成形磨削过程中,工件成形精度的高低取决于成形砂轮的磨损状态.本文分别对图6中连续磨削和间断磨削齿条时成形砂轮的磨损状态进行测量,测量结果如图7所示.可见,随着磨削过程的进行,磨削长度L 增加,砂轮外径r s 、边角半径R 以及压力角Α均发生变化,断续磨削时砂轮磨损量明显大于连续磨削时砂轮磨损量,因而齿条型面精度低.在成形磨削中,一方面要求成形砂轮具有很高的型面精度保持性,而另一方面要求砂轮磨粒具有很好的锋利性,减少磨削热量的产生,避免磨削烧伤的发生.由于普遍磨料很难同时满足上述两方面的要求,因此,在难加工材料成形磨削中,选择合适的砂轮是进行高效高精度磨削的必要条件.

85上　海　交　通　大　学　学　报1997年　第9期

2.3　电镀CBN 断续内冷却成形砂轮应用研究

CBN (立方氮化硼)磨料热稳定性好,热强度高,抗冲击韧性好,硬度高,而且与铁族合金不发生反应,在高温下具有较好的化学惰性[3].因而CBN 砂轮在难加工材料成形磨削中能够长期保持锋利状态,从而积极控制磨削热量产生,磨削温度较低,能有效地避免磨削烧伤的发生.同时,成形砂轮磨损少,型面精度保持性好

.

图6　工件装夹方式对磨削温度的影响

(a )工件连续磨削装夹方式,(b )工件间断磨削

装夹方式,(c )试验结果记录曲线(v s =21m s ,

v w =6.5m m in ,a p =0.015mm

)图7　成形砂轮磨损状态曲线

具有间断切削表面的砂轮,由于散热、冷却和容屑效果改善,有效磨粒间距增大和单颗磨粒容屑厚度增加,因而消耗的磨削比能降低,使工件表层磨削热量的积累增加缓慢,磨削温度可维持在较低的水平,可有效地避免工件表层热损伤.内冷却供液方式能够将磨削液直接带入磨削弧区,充分发挥冷却、润滑及清洗功能,对降低磨削温度起着积极作用.缓磨工艺特点是大切深、缓进给,砂轮与工件相接触次数少,因往复冲击而导致的砂轮边角磨损小,成形砂轮型面精度保持性好.电镀工艺可将单层CBN 磨料均匀植于具有复杂型面的砂轮基体上.可以通过提高砂轮基体的成形精度,方便地获得高精度成形砂轮;并可以使砂轮表面磨粒具有良好的等高性和裸露高度,极大地改善了砂轮的磨削性能

.

图8

　磨削功率随磨削深度变化关系曲线图9　成形砂轮磨损状态示意图

基于上述认识,作者设计并制作了电镀CBN 开槽内冷却成形砂轮,采用“CBN 砂轮断续内冷却缓磨工艺”进行难加工材料成形磨削试验研究.图8所示为应用新结构CBN 成形砂轮磨削难加工材料时,新型CBN 砂轮(v s =30m s ,v w =10mm m in )磨削功率随磨削深度a p 的变化关系曲线

.磨削先后次序9

5陈　明:难加工材料成形磨削烧伤研究

06上　海　交　通　大　学　学　报1997年　第9期

为TC4(a p=0.5～3.5mm),GH4169(a p=0.5～3mm),D Z4(a p=0.5～3mm),12C r2N i4A(a p= 3mm).可见,在磨削过程中,磨削功率变化平稳.在砂轮累积切深达38mm之后,工作表面状态良好,磨粒锋利,工件表面无振痕、烧伤.图9所示为新成形CBN砂轮边角半径R随磨削过程进行而变化的状况,工件为:TC4,GN4169,D Z4和12C r2N i4A.可见,砂轮边角半径变化极小.与图7试验结果相比可知,该新结构CBN成形砂轮在高效磨削前提下,既能避免磨削烧伤的发生,又能保持良好的型面精度.

3　结　论

(1)磨削弧区最高平均温度是引起磨削烧伤的直接因素,因而表面层金相组织的变化状态能客观地反映磨削温度分布状态.

(2)应用金相分析法可以较为客观地对具有复杂型面的工件表层磨削温度进行估算,从而有利于揭示成形磨削烧伤形成机理.

(3)在进行成形磨削加工之前,大幅度减少坯件中磨削条件恶劣部位的磨削余量,使之分配合理,以及采用断续磨削工艺,均有利于避免磨削烧伤的发生.

(4)CBN砂轮断续内冷却缓磨工艺非常适合于难加工金属材料高效高精度成形磨削加工,在实际生产中具有重大的应用价值.

参考文献

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S tud ie s on P rofile G rind ing B urn in the P roce s s

of G rind ing D ifficult2to2M a chine M a te ria ls

Chen M ing

(D ep artm en t of M echan ical Engineering,Shanghai J iao tong U n iversity)

Abs tra c t　T he bu rned casehardened gear is studied system atically by the u se of m etallograp h ical in2 sp ecti on and SE M,and the grinding tem p eratu re distribu ti on s of the roo t of too th and the flank of too th are evaluated.T he m echan is m of p rofile grinding bu rn and its influencing facto rs are analysed th rough the si m u lated test of p rofile grinding rack s,and the i m p rovem en ts of grinding bu rn are p ro2 po sed si m u ltaneou sly.A new2typ e CBN grinding w heel is develop ed.Its p ractical app licati on show s that th is new2typ e CBN fo rm grinding w heel can yield good su rface in tegrity and h igh p roducti on rate w ithou t grinding bu rn.T he techno logy is of po ten tial u tility in the p rocess of p rofile grinding difficu lt2 to2m ach ine m aterials.

Ke y w o rds　p rofile grinding;difficu lt2to2m ach ine m aterials;grinding bu rn