磨削工艺对车轴表面粗糙度的影响分析

刘伟强，黄秀兰，文雅珊

(井冈山大学机电工程学院，江西井冈山 343009)

0 前言

磨削加工是利用磨料去除材料的加工方法，是切削加工的主要形式之一［1］。磨削是现代加工领域中应用相当广泛的一项精密加工技术，且往往是加工精密零件的最后一道工艺方法，一直以来，磨削技术由于其具有其它加工方法不可比拟的特点而在机械加工领域中受到专家学者和企业的重视，目前磨削加工机床的总量约占机械切削加工机床总量的30%［2］。在磨削加工中，表面完整性可以用来衡量磨削加工表面质量的好坏，目前对于零件表面完整性的要求也越来越高，其主要包含表面纹理指标与表面层物理力学性能指标两类［3］。而工件表面粗糙度是反映表面完整性指标中极为重要的一个参数，也是决定磨削加工质量的重要因素之一。粗糙度的大小对工件使用性能有很大的影响，表面粗糙度越小，零件的耐磨性、耐疲劳性、耐腐蚀性相应就越好，并且可提高零件装配时的配合精度［4］。

众所周知，汽车工业是世界各工业发达国家的支柱产业之一。轴类零件是汽车动力传动系统中重要的部件，是发动机中最重要零件之一。若是发动机中的某曲轴发生故障，轻则影响发动机的动力性和经济性，重则会导致机毁人亡的重大事故。随着汽车工业、内燃机工业的迅速发展，汽车轴类零件的需求量越来越大，轴类零件的加工工艺、设备也越来越受到人们的普遍关注。轴加工的精度、效率、柔性和自动化程度的高低直接影响到汽车动力传动系统运行的好坏。当前车轴表面的最后加工工序都是磨削，目前研究较多的是车轴表面的强化，而对于通过改变磨削加工工艺来改善车轴表面完整性的研究则较少［5］。因此，文中基于长期的磨削试验经验，开展磨削加工车轴表面粗糙度分析以及以表面粗糙度改善为目标的磨削工艺优化研究具有深刻的现实意义。

1 磨削试验的方案设计

为了能够充分研究在20CrMnTi材料的磨削过程中磨削工艺参数对车轴表面粗糙度的影响规律，在保证其精度及表面完整性的同时提高材料去除率，需要进行系统的磨削工程实验。以下对其磨削实验方案作全面介绍，包括实验用材料、磨削实验平台、实验过程参数检测及详细的磨削试验工艺方案设计。

1.1 磨削试件及砂轮

磨削试件:材料为20CrMnTi，表面渗碳淬火，单边渗碳层深度为1.5 mm，磨削外圆直径为φ80 mm，外圆轴向尺寸为18 mm。其实物图如图1所示。

图1 磨削试件实物图

砂轮:陶瓷结合剂 CBN砂轮，砂轮型号99VG3A1-400-22-5，最高线速度150 m/s，修整方式为修锐。

1.2 磨削试验平台

实验在MGKS1332/H-SB-04型高速外圆磨床上进行。砂轮架部件采用闭式静压导轨形式，并采用伺服电机和精密丝杠的传动结构;砂轮轴系采用高速滚动轴承和内装式电机结构，砂轮主轴装有SBS动平衡仪。其中，高速外圆磨床的砂轮主轴最高转速为8 000 r/min，电机功率28 kW。

1.3 表面粗糙度数据采集装置

实验采用JB-4C精密粗糙度仪 (图2)对擦净后的磨削试件的表面粗糙度进行测试。

图2 JB-4C精密粗糙度仪

该仪器是一种高精度触针式表面粗糙度测量仪器，可对平面、斜面、外圆柱面等各种零件表面的粗糙度进行测试，并实现表面粗糙度的多种参数测量。

其主要的技术指标如下:

(1)取样长度L:0.25，0.8，2.5 mm(测量圆弧面或球面取样长度可选择0.25 mm和0.8 mm)。

(2)评定长度Ln:1L，2L，3L，4L，5L等可任选。

(3)测量范围:Ra0.01～10 μm;传感器垂直移动范围0.6 mm。

(4)最小显示值:0.001 μm。

(5)仪器示值误差:≤±5%±4 nm。(6)传感器移动的速度:0.5 mm/s。

(7)传感器触针:标准型 (高度小于8 mm)，小孔型各1支。触针半径2 μm，静态测力0.75 mN。

(8)工作台:旋转角度360°，X、Y移动15 mm。

评定表面粗糙度时，在二维轮廓线上采用中线制，以轮廓的最小二乘中线为基准线进行轮廓的评定计算。实验在给定的取样长度内，按垂直于磨痕的方向上测量被加工表面的粗糙度Ra，在每种工况条件下选择3个不同位置测量，并取其平均值。

1.4 磨削试验工艺方案

每次实验前，先要对砂轮进行动平衡，使用砂轮主轴上的SBS动平衡仪，按照相应的砂轮线速度进行平衡，当平衡量达到0.03 μm后开始实验。该实验主要采用切入式逆磨方式，冷却液为乳化液，喷嘴流速为10 L/min。每完成5组磨削工艺实验，需使用金刚石滚轮对砂轮进行修整，在每一组磨削实验前均要进行修锐，以保证砂轮状态一致性。在相同的工装条件下，磨削工艺参数的变化将直接影响磨削质量指标的变化规律，进而影响工件表面质量及其精度，具体的磨削工况见表1所示。

表1 20CrMnTi高效外圆磨削实验工况

2 磨削工艺对车轴表面粗糙度的影响分析

2.1 砂轮线速度对表面粗糙度的影响

图3表明了20CrMnTi材料在工件速度vw=0.418 m/s，切深ap=0.006 mm，材料去除率Q'w=2.5 mm3/(mm·s)，砂轮线速度vs分别为45、60、75、90、105、135 m/s时，工件表面粗糙度随砂轮线速度的变化关系曲线。从图3可以看出在工件转速 (vw=0.418 m/s)和磨削深度 (ap=0.006 mm)保持恒定时，表面粗糙度数值随着砂轮线速度的增加总体呈下降趋势，即砂轮线速度vs越高表面质量越好。这是因为增大砂轮线速度后，每颗磨粒切下的磨屑变薄，磨粒通过磨削工作区时在工件表面留下的切痕深度就会减小，从而使工件表面变得更加光洁。

图3 砂轮线速度对表面粗糙度的影响

2.2 工件速度对表面粗糙度的影响

图4表明了20CrMnTi材料在砂轮线速度vs=90 m/s，切深ap=0.006 mm，工件速度vw分别为0.209、0.418、0.627、0.836、1.254 m/s 时，工件表面粗糙度随工件速度的变化关系曲线。从图4可以看出在砂轮线速度 (vs=90 m/s)和磨削深度 (ap=0.006 mm)保持恒定时，提高工件速度即逐步提高磨削材料去除率0.5倍时，表面粗糙度数值随着工件速度的增加总体呈上升趋势。但是总体上升的幅度不是很大，这说明在实际加工中，要平衡好加工效率和工件表面质量的关系，在保证工件表面质量的前提下，适当的提高工件的加工效率。

图4 工件速度对表面粗糙度的影响

2.3 磨削深度对表面粗糙度的影响

图5表明了20CrMnTi材料在砂轮线速度vs=90 m/s，工件速度vw=0.418 m/s，磨削深度ap分别为0.003、0.006、0.009、0.012、0.018 mm 时，工件表面粗糙度随工件速度的变化关系曲线。从图5可以看出在工件转速 (vw=0.418 m/s)和砂轮线速度(vs=90 m/s)保持恒定时，提高切深即逐步提高磨削材料去除率时，表面粗糙度数值随着磨削深度的增加总体呈上升趋势，即磨削深度ap值越高表面质量越差。这是因为增大磨削深度，单颗磨粒的最大切削厚度增大，磨粒通过磨削工作区时在工件表面留下的切痕深度就会增加，从而使工件表面变得更加粗糙。

图5 磨削深度对表面粗糙度的影响

2.4 材料去除率与表面粗糙度的影响关系

图6为磨削材料为20CrMnTi的试件时，vs=90 m/s，材料去除率与表面粗糙度的变化关系曲线。从图6中可以看出在材料去除率约小于2.5 mm3/(mm·s)时，提高磨削深度比提高工件速度会产生更小的表面粗糙度值;在材料去除率大于2.5 mm3/(mm·s)时，提高工件速度比提高磨削深度会产生更小的表面粗糙度值。因此在以表面粗糙度为主要考核指标来优化磨削工艺参数时，当材料去除率小于2.5 mm3/(mm·s)时，可以尽量提高磨削深度;当材料去除率大于2.5 mm3/(mm·s)时，可以尽量提高工件速度，这样可以获得更小的表面粗糙度值。

图6 材料去除率对表面粗糙度的影响

3 结论

表面粗糙度是衡量工件表面质量的一个重要指标，作者对20CrMnTi试件开展高效磨削工艺技术试验研究，通过优化磨削条件和磨削工艺参数，系统地研究磨削工艺参数和条件变化对工件表面粗糙度的影响。其主要结论如下:

(1)工件表面粗糙度值随砂轮线速度的增大而减小，但影响较小;

(2)工件表面粗糙度随工件速度及磨削深度的增加而增加，其影响程度较砂轮线速度要大。

(3)当材料去除率小于2.5 mm3/(mm·s)时，工件速度比磨削深度对工件表面粗糙度更加敏感;当材料去除率大于2.5 mm3/(mm·s)时，磨削深度比工件速度对工件表面粗糙度更加敏感，因此在以表面粗糙度为主要考核指标来优化磨削工艺参数时，当材料去除率小于2.5 mm3/(mm·s)时，可以尽量提高磨削深度;当材料去除率大于2.5 mm3/(mm·s)时，可以尽量提高工件速度，这样可以获得更小的表面粗糙度值。

［1］孟令锋.磨削加工切削参数的智能选择系统研究［D］.成都:四川大学，2006.

［2］袁巨龙，邓朝晖，熊万里，等.高效磨削技术与装备进展及展望［J］.航空制造技术，2010(5):66－70.

［3］李伯民，赵波.现代磨削技术［M］.北京:机械工业出版社，2004.

［4］唐昆.TC4钛合金高效深磨工艺实验研究及其磨削质量预测［D］.长沙:湖南大学，2007.

［5］李冰，姜长明，曾超，等.磨削工艺对车轴表面应力状态影响分析及工艺优化［J］.中国制造业信息化，2011，40(21):43－45.