平磨时切削参数对52100钢表面硬化的影响
摘要
磨削是一种广泛应用于需要较高的公差，较少的形状误差和优良的表面质量的机械零件生产的精加工工序，在磨削中采用正确的切削策略，通过减少冷却液的用量，改善表面粗糙度，降低切削力，可以产生更好的效果。本文的主要目的是对产生与切削参数变化相关的表面粗糙度、剪切强度和显微硬度分析。因此，采用外径254mm、宽度25.4mm的碳化硅砂轮对52100淬硬钢进行平磨试验。使用特定器械监测剪切强度、表面粗糙度和显微硬度。结果表明，进给量和切削深度是影响切削质量的主要因素。因此，考虑到正交平面和切削方向，进给速度的增加导致表面粗糙度值上升大于90%。该工艺还产生了更高的显微硬度值。最后，所得到的显微硬度也揭示了在切削条件下具有较低切削深度和进给量的工件表层软化。基于此，可得出结论，采用高进料速率可产生较高的显微硬度值。因此，使用正确的进给速度值可以减少材料的燃烧，而不影响加工材料的结构。
关键词：平磨，显微硬度，表面粗糙度，切割力
1前言
在制造中，磨削一般是机械零件生产中的最后一道工序，因为尺寸公差、形状精度和表面粗糙度是非常重要的。Malkin和Guo[20]认为研磨是一种为机械部件提供高公差、优异表面质量和更好表面粗糙度的精加工操作。然而，为了达到高质量的标准，研磨过程需要大量的稀缺资源，如水。据Hadad和Hadi[10]称，磨削过程由于砂轮工件切削区的相互作用提供了较高的热量，用于工件表面的弹塑性变形。基于此，需要一个有效的冷却系统来降低切削区的温度，从而使磨削过程高度依赖于水的使用。在磨削中使用正确的切削策略可以产生更好的效果，尽量减少冷却液的加入量。Marius等人[22]为了确定最佳磨削点，对工艺参数的使用进行了仔细研究。根据作者的观点，需要同时考虑多个目标，包括技术性能和经济及环境目标。作者们的分析结果表明，作为工具、切削液和机床的每一个因素都有不同的影响。结果证明，如果单独考虑的话，磨削油是较少的选择。但是，如果考虑其他技术限制，聚合物稀释冷却系统的选择变得更具吸引力。此外，作者能够通过使用响应面方法定义该工艺的最佳组合参数。
考虑到法向力和切向力，它们之间的关系提供了磨削过程的大量信息。根据Hadad和Hadi[10]的研究，可以定义磨粒表面和工件之间的摩擦系数。为此，作者使用了研磨力之间的关系，允许在斜率变得更陡峭时定义烧伤极限，高于烧伤极限。此外，发生相变，在工件上形成氧化物，可通过减少摩擦改善切削机制。作者证明，磨削烧伤的斜率更高；例如，不锈钢的法向力和切向力的关系为4.54，铝的关系为2.78。
Yin等人[33]写道，当切削深度较大时，切向力随平均热源热功率的增大而增大，从而使温度升高。作者认为，材料弹性区产生的切削剪切力深度的影响在每个磨粒表面处都会增加，产生未切削切屑厚度的增加。基于此，与提高砂轮的速度或进给速度相比，增加切削深度会导致材料去除率的突然改善。
冷却系统对磨削过程中的切削力影响很大。根据Jia等人[14]的研究，在平面磨削上应用最佳射流条件时，比切线磨削力、比磨削能和摩擦系数分别为1.525N/m、78.43J/mm3和0.421，流量液体为0.005kg/s，作者指出，当MQL与Al2O3工程陶瓷一起使用时，切削力、比能量和表面粗糙度的降低在传统的水磨和干磨中提供了优势。
此外，表面粗糙度也是一个需要不断控制和改善的重要因素。如前所述，磨削过程由于其切割机制，提供了优异的表面质量，可快速去除微小尺寸工件上产生划痕或线条的最小碎片。Drsquo;yakonov和Shipulin [5]定义，每个划痕是一个磨粒表面的轨道。因此，单个砂砾从砂轮上凸出的高度将不同，因此划痕深度也将不同。由于固定在砂轮上的每个磨粒缺乏方向，这种情况会产生随机情况，提供了与划痕相关的非周期性现象。
因此，表面粗糙度的控制应该在表面工件上进行，考虑几个方向，而不仅仅是进给速度方向。为了了解表面粗糙度与研磨过程的关系，已经开展了几项研究。根据Pan等人[24]的研究，考虑到脆性材料，次表层损伤层可发生几处横向裂纹，裂纹的深度与表面粗糙度成正比。此外，表面下损伤的最大深度对应于线性、脆性去除划痕。这种情况表明，磨粒驱动是一个复杂的过程，表面粗糙度的分析应谨慎进行，以提供正确的信息。
因此，制造高精度、高质量的机械零件，需要全面了解切削参数及其对工件表面粗糙度和显微硬度的影响。如果在加工过程中应用了正确或不正确的切割值，则机加工组件的微观结构可能略微改变，并且这种改变可能在其工作期间损害组件。通常，磨削工艺被用于淬硬钢的机械加工，因为不仅陶瓷磨粒能够切割淬硬材料，而且它们还提供了基于连续划痕或线条的随机材料去除的优异表面粗糙度。根据Guo等人[9]的研究，磨削过程中产生的热量对材料的硬度影响较大，硬度深度可有相同的温度场变化趋势。因此，与不正确使用切割参数相关的高温值可能会影响机加工材料的硬化。
磨削过程中磨粒引起的磨损在加工过程中会产生很大的变化，影响加工表面。磨粒正确地产生线条和去除材料的能力是非常重要的，因为通常，当磨粒以平面形式破碎时，它们有升高温度和改变材料显微硬度的趋势。根据Madopothula等人[19]的研究，磨削中平面磨损的产生可导致主导磨损机制的转变，由它由剪切转变为犁削和滑动，而这种变化可提供磨削力的突然上升。
Guo等人[9]支持这一点，到目前为止，大多数研究集中在工件的局部显微组织和显微硬度及硬度穿透深度。作者指出，在磨削过程中，磨削力、生热率和砂轮转移方向的变化会导致显微硬度的变化，也会影响表面粗糙度，因为切削机制会发生显著变化。因此，这些变化不仅影响材料的表面硬度，而且对材料的抗疲劳性、摩擦力和磨损量也有重要影响。因此，从制造的角度，预测整个机加工机械的显微硬度、表面粗糙度和切削力组成，研究其均匀性具有非常重要的意义。
2方法
在垂直加工中心以10,000rpm和12.5kw主功率进行了研磨试验。调整加工中心以允许平面研磨过程。用压电测力计测量切削力，磨削实验后使用表面测量仪测量表面粗糙度。在实验试验中使用了硬度为703HV的硬化52100钢，宽度为7mm，长度为25mm的工件。图1a是工件的详细信息，图1b显示了砂轮和工件在加工中心的装配情况。
由于淬火后的52100钢主要用于滚动轴承等机械部件，因此在试验中使用了淬火后的52100钢工件。该52100钢具有良好的切割能力，高硬化，耐磨性好。根据ASTM A295[2]，表1所示为52100钢的化学成分。采用外径254mm、宽度25.4mm、内孔76.2mm的碳化硅砂轮进行平磨实验。砂轮的技术指标为GC100K05V5，切割速度限值为60m/s。
表2显示了实验测试中使用的输入参数。根据不同切割条件的初步试验确定参数范围。因此，当工件表面发生灼烧或测力计测量的切削力过载时，这些试验被丢弃。每次实验测试后，均进行修整操作，修整深度为0.042mm，修整器进给量为84mm/rev，以便在整个实验修整过程中保持砂轮处于相同状态。这些数值是基于Rascalha等人[26]的研究，其中证明，当使用较低的进给速度和敷料深度时，表面粗糙度最低的抛光效果最佳。
实验是根据DOE采用两个输入参数（两个水平）和一个输入参数（三个水平）进行；因此，考虑到3个重复，进行了36次实验。响应为切割力（法向力和切向力）、表面粗糙度（Ra参数）和显微硬度试验(MHV)。在研磨过程移动的轴向(RaY)和正交(RaX)方向上测量表面粗糙度。截断值为0.8mm，测量长度为5mm。在工件中心线上进行了显微硬度试验，3个压痕间隔为2mm，同时考虑了砂轮的轴向位移。显微硬度中使用的载荷为50gf，时间为20s。
图1 a工件细节；b加工中心实验装配
3结果分析
3.1轴向射线和正交方向RaX的表面粗糙度
表3所示为RaX和RaY方向表面粗糙度的ANOVA。方差分析ANOVA旨在了解一个或多个输入因素对表面粗糙度的影响。结果表明，主因子和/或交互作用因子是否具有统计学显著性。该分析的置信区间为95%，即5%显著性水平。这样，P值小于或等于0.05表明哪些输入因素具有统计学显著性。根据表3，0.000和0.007的P值表明，在RaX和RaY方向上，进给速度和切割深度对于表面粗糙度是显著的，而不像主效应切削速度对表面粗糙度影响不显著。
表1 52100钢的化学成分
另一方面，考虑到两个和三个输入参数的同时相互作用，仅在切割速度与切割深度、进刀速度与切割深度以及切割速度与进刀速度与切割深度的比较中观察到光线方向表面粗糙度的相互作用，P值分别为0.004、0.009和0.017。调整后的R2值为77.22和86.38%，表明该模型的质量调整良好。图2、3和4显示了RaX和RaY方向表面粗糙度的主要影响和相互作用图。
图2显示RaX方向的表面粗糙度变化受16%的切割速度的影响，证明至少在试验中使用的输入参数范围内，切割速度的变化不影响表面粗糙度。进给速度和切削深度的变化分别为94和40%。最高的变化发生在进料速度的两个水平之间。应注意到，该变化呈线性，几乎是其两倍。对于切割深度，使用了三个水平，根据图2，10-50m之间的差异非常小。然而，在50-100mu;m范围内，变化为40%。
Khenaifes[15]研究了在SAE1020钢磨削中使用氧化铝白色砂轮和中等磨粒的平面磨削工艺，发现10和50m的切削深度的表面粗糙度值分别为0.51和1.40mu;m。作者观察到，表面粗糙度呈线性增加，工件燃烧时表面粗糙度没有变化。尽管作者测试的材料硬度低于本工作中使用的52100钢，但可以肯定，在1020钢上创建的线通常更深，因为其硬度较低，但相同比例的表面粗糙度s趋势增加。Aguiar等人[1]开发了切割深度范围为5~50mu;m的研究，包含15个不同的间隔。据观察，对于小于或等于27.5mu;m的切割深度，表面粗糙度保持不变，但大于这些值时，观察到工件燃烧，表面粗糙度显著增加。
表2实验测试中使用的切割参数
Malkin和Guo[20]指出，切割深度的增加允许更多磨粒同时作用的切割机制，提供更宽的砂砾工件接触区，并在晶粒滑移中产生更多摩擦，以及更大的塑性变形、更高的毛刺形成，甚至更高的平均表面粗糙度。此外，可以声明的是，每个有源砂砾的接触时间提供了少量的金属去除。基于此，切屑去除过程中存在较大的摩擦和塑性变形，导致切削区域产生更多的热量，更大的切削力度，从而降低了工件的表面质量。
此外，在图2中可以观察到10和50mu;m的RaX方向的表面粗糙度值非常相似。因此，可接受的假设是，在较小的切割深度，较大的摩擦和塑性变形对材料的影响较小，从而导致表面粗糙度的突然变化。此外，在每个工艺的特定切割深度值，这种变化可能更显著，与燃烧工艺的开始相关或不相关。
图3显示了光线方向上表面粗糙度的主要影响。RaY方向上的表面粗糙度结果与其RaX方向上的结果相似。可以注意到，与RaX方向的结果相似，10和50mu;m范围内RaY的变化最小，50和100m范围内RaY的变化最大。然而，考虑到极限，RaY的表面粗糙度总变异比RaX大82%。
Xu等人[31]研究了切削深度变化时的磨削过程，并在纵向和正交两个方向上进行了测量。当切割深度为2mu;m时，作者发现表面粗糙度为0.05mu;m时的值最低。此外，作者还发现纵向表面粗糙度显著低于正交方向。可以认为，在切屑去除过程中产生的表面粗糙度增加与RaX相似，具有较大的摩擦和塑性变形量。
图4显示了光线方向上表面粗糙度的相互作用效应。根据表3，输入参数之间的相互作用只发生在射线方向。根据表3，切割速度与进给速度之间没有相互作用，如图1a所示。另一方面，表3显示了三个因素切割速度与进给速度与切割深度之间的相互作用；因此，可以注意到，基于三个因素的相互作用，当切割速度范围为12-16m/min时，考虑进给速度为0.54m/min，表面粗糙度出现小幅增加，但是，对于进给速度为1.08m/min，可能出现相反的趋势，提供了表面粗糙度的降低。可根据破碎或拔出的颗粒大小和研磨过程中去除的碎屑量进行解释。当切削深度为100mu;m时，这些部件的尺寸更大，更容易从切削区取出。通常，当磨粒和切屑的尺寸较小时，它们可能粘附在砂轮表面，提供更差的表面粗糙度。
表3表面粗糙度RaX和RaY方向的方差分析
图4b证实了表3中的结果，其中表面粗糙度变化在10和50mu;m范围内可以忽略不计，因为根据图4，图示证明曲线平行，并且它表示此输入参数之间没有交互。在相反的情况下，图4显示，对于1.08mm的进料速度，在10和50mu;m的切割深度之间发生截留。另一方面，对于100mu;m的切割深度，发生了10和50mu;m的不
资料编号：[4570]
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