GCr15轴承钢超高速磨削表面粗糙度与烧伤试验分析*

刘晓初，陈　凡，何铨鹏，冯明松，姬武勋

(广州大学 a.机械与电气工程学院；b.金属材料强化研磨高性能加工重点实验室，广州　510006)



GCr15轴承钢超高速磨削表面粗糙度与烧伤试验分析*

刘晓初a,b，陈凡a,b，何铨鹏a,b，冯明松a,b，姬武勋a,b

(广州大学 a.机械与电气工程学院；b.金属材料强化研磨高性能加工重点实验室，广州510006)

为了探究超高速磨削条件下GCr15轴承钢表面粗糙度与烧伤的关系，进行了不同砂轮速度、工件速度下GCr15轴承钢超高速正交磨削试验，并测量了表面粗糙度，试验结果表明：GCr15轴承钢加工表面都出现了不同程度的烧伤，当砂轮速度为150～160m/s，工件速度为3～5m/min时烧伤最为严重。且在一定范围内，砂轮速度增大、工件速度增大都会造成粗糙度增加。通过烧伤表面三维形貌分析，揭示了烧伤会增加工件表面粗糙度的原理，并分析出了合适的磨削加工参数，为超高速磨削GCr15轴承钢时避免发生磨削表面烧伤提供了参考依据。

GCr15轴承钢；超高速磨削；表面粗糙度；磨削烧伤

LIU Xiao-chua,b，CHEN Fana,b，HE Quan-penga,b，FENG Ming-songa,b，JI Wu-xuna,b

(a.School of Mechanical and Electrical Engineering;b.Key Laboratory of High-performance Metal Materials Reinforced Grinding Machining, Guangzhou University,Guangzhou 510006,China)

0　引言

超高速磨削是当今先进制造领域最引人关注的高效加工技术之一，在欧美、日本等发达国家被誉为“现代磨削技术的最高峰”[1]。已加工工件表面粗糙度是表面质量的重要指标，而超高速磨削能够大大提高被加工工件的精度，降低零件表面粗糙度值，更可以大幅度提高磨削效率、延长砂轮寿命[2-3]。但是，在超高速磨削中，由于砂轮转速的升高，使热源能量增加，磨削接触区积累热量增加，表面局部受高温作用而产生金相组织变化，出现烧伤，从而可能对工件表面质量产生影响，且表面烧伤会影响零件的使用性能和寿命。因此，研究烧伤与磨削加工参数、工件表面粗糙度之间的关系非常必要。

国内外专家学者对此也做了研究，赵恒华等[4]推导了高效深磨时最大接触温度的计算公式，利用J形热电偶测量了磨削接触面接近磨削烧伤时的最高磨削温度，证明了公式的合理性。Ge, P Q等[5]根据工件表面烧伤色斑分析了烧伤等级。刘高群等[6]详细说明了各种零件要素在不同条件下的烧伤等级推荐。冯灿波等[7]在超高速磨削条件下研究了不同砂轮线速度、工件进给速度和进给量对不锈钢磨削表面粗糙度的影响。黄新春等[8]进行了超高强度钢AerMet100磨削烧伤研究，试验表明磨削烧伤程度随着磨削深度、砂轮速度和工件速度的增大而增大。朱跃伟等[9]研究了高速磨削条件下，砂轮磨损对磨削表面质量的影响研究，实验结果表明工件表面粗糙度会随着砂轮磨损而上升。李光玲[10]提取了基于声发射频谱矩心的磨削烧伤恒指特征， 并指出了频谱矩心值可作为磨削烧伤的恒值特征之一。

以上都只是研究了烧伤与加工参数之间的关系，而烧伤对工件表面质量，如粗糙度的影响鲜有研究。笔者通过超高速磨削试验平台，对GCr15轴承钢进行了高速超高速磨削加工试验，并对加工工件表面进行了三维扫描，分析了工件烧伤对粗糙度的影响，分析出避免烧伤的磨削加工参数，为超高速磨削GCr15轴承钢时避免发生磨削表面烧伤提供参考。

1　试验准备

1.1试验设备

1.1.1超高速磨削平台

磨削试验中采用由杭州机床厂生产的MKL7132X8/17型超高速数控强力成形磨床，卧轴矩台立柱采用移动式主机和西门子840D五轴数控系统(主轴最高转速10000 r/min，功率50kW)，可对三个直线轴和磨头主轴进行单独控制或联动，是一台集计算机数控技术和高效深切成形强力磨削技术的先进制造装备。其中包括由郑州磨料磨具磨削研究所有限公司研制的陶瓷CBN砂轮，尺寸规格为φ400mm×40mm×φ127mm×5mm×15mm，粒度为120～140，最大线速度为200m/s，并使用冷却效果较好的水基磨削液(型号为SY-1)。考虑到砂轮工作表面对工件表面完整性的影响，在试验前需利用金刚石滚轮对砂轮表面进行修整。利用磨削整形法，可同时达到对超硬磨料砂轮进行修整和修锐的目的。

1.1.2PGI-1200位相光栅干涉轮廓仪

超高速磨削后的工件表面粗糙度由位相光栅干涉轮廓仪所测得，该仪器是一种可检测平面、球面、非球面、棱柱等多种形状的高精度光学透镜，其测量长度为0.1～200 mm、测量宽度为12.5 nm、分辨率为0.8 nm、测量力为1～20 mN、取样间隔(X方向)为0.124μm/200 mm。

由于表面粗糙度与取样长度具有相关性，且评定长度根据取样长度来确定，若取样长度过大，测量值中可能包含表面波纹度的成分，若取样长度过小，测量值有很大的随机性，不能客观地反映被测表面的真实情况[11]。因此，在测量时应合理地选择取样长度(即截止波长)和评定长度。

1.1.3VHX1000超景深显微镜

该仪器具有高分辨率尺寸测量和三维照明模拟等功能，放大倍数为20～5000倍，纵向测量范围为60～100μm。考虑到试件表面微观形貌特点，检测时采用的放大倍数为2000倍。

1.2试样制备

试验材料为热处理后的GCr15轴承钢(化学成分见表1[12])，钢板尺寸为300 mm×100 mm×20 mm，利用线切割将其分成15块，每块试样尺寸为100 mm×20 mm×20 mm；为了提高试验效率，磨削过程中工作台将沿着试样宽度方向进给，试验过程取5块样品，每块试件可磨削5次，即有5个磨削面，总共25个待磨削面，每次磨削面积为15×20 mm(图1中白色区域)。此外，考虑到线切割时残留在试样上的切削液可能影响试验结果的真实性，试验前需将试件表面清洗干净。

表1　GCr15化学成分(质量分数)

图1　试样

2　试验方案设计

采用正交试验法进行GCr15轴承钢超高速磨削加工，2因素(砂轮速度vs，工件速度vw)和5水平下的变量数值见表2，磨削深度ap均为0.01mm。

表2　正交实验方案

在试验过程中，需要注意的事项如下：

① 为了提高试验的准确性，所用试件均在同一块钢板上截取；

② 为了减小试验系统误差，磨削前需对砂轮进行修整；

③考虑到各向异性对表面粗糙度测量的影响，一般情况下令仪器的扫描方向与磨削方向相垂直。

3　试验结果分析

3.1表面粗糙度分析

根据超高速磨削加工可达到的精度等级，测量试件表面粗糙度时选择的取样长度为0.80 mm，而评定长度至少为取样长度的5倍，取评定长度为10 mm。此外，为了充分合理地反映试件表面的粗糙度特性，每个表面重复测量3次后求平均值(在不同位置上测量，且应确保扫描方向的一致性)。绘制磨削加工表面粗糙度Ra与工件速度、砂轮速度之间的关系曲线，如图2、图3所示。

图2表明，当工件速度增加时，表面粗糙度Ra值先增大后减小，而当工件速度为2～3m/min时，工件表面粗糙度最大。这是因为工件速度增大，砂轮与工件的接触弧长增长，且单位时间内材料的去除量增大，使单颗磨粒的最大未变形磨屑厚度增大，从而导致磨削力增大，磨削温度升高，工件表面产生的塑性流动加剧，使表面粗糙度增大。表面粗糙度之后减小是因为随着工件速度的增加，工件与砂轮之间的相对速度增加，即使单位时间内起切削作用的总磨粒数增多，从接触区传入工件的热量减少，磨屑带走的热量增加，使工件表面塑性流动降低，从而粗糙度降低。

图2　表面粗糙度与工件速度之间的关系

图3　表面粗糙度与砂轮速度之间的关系

图3表明，当工件速度较小时，表面粗糙度Ra值基本上随砂轮速度的增加而减小，当工件速度增加到3m/min、4m/min、5m/min时，表面粗糙度Ra值随砂轮速度的增加而增加。一般情况是砂轮速度越大，工件表面粗糙度越低，对实验出现的结果分析如下：

(1)重复测量次数少，无法真实地反映磨削表面的粗糙度。在测量过程中，将磨削表面分成“上、中、下”三个部分，确保每次扫描的轮廓都分布在不同位置。该方法虽然无法完全避免偶然误差的出现，但求2次均值后的已基本接近真值，所以当重复测量次数N≥3时，N对实验结果的影响程度较小。

(2) 砂轮出现颤振，易使磨削表面产生沟槽和波纹，从而增大其表面粗糙度。砂轮表面磨粒因磨削力的变化而部分脱落，随后引起颤振[13]。然而，实验采用的CNB砂轮属于高强度砂轮，磨削前已进行修整，所以在有限次使用次数内可将磨粒脱落视为偶然现象，砂轮颤振对实验结果的影响程度较小。

(3)试件导热性差，并随着实验过程中磨削用量的变化，磨削表面出现不同程度的烧伤，从而使表面粗糙度发生变化。瞬时高温会改变磨削区表层金属的金相组织，使材料的表面形貌发生变化，严重时甚至会出现裂纹[14]。在实验过程中，多数表面出现轻度烧伤，少数表面烧伤痕迹明显，覆盖率甚至超过80%(如图4的红色区域内)，可能严重影响其表面粗糙度。

图4　烧伤的工件表面

3.2工件表面烧伤分析

为了探究磨削烧伤是否会对工件表面粗糙度产生影响，利用VHX1000超景深显微镜观察加工表面微观形貌，图5是砂轮速度为150m/s，160m/s和工件速度为3m/min，4m/min时的表面形貌，放大倍数为2000。

(a)vs=150m/s，vw=3m/min(500×2000)

(b)vs=160m/s，vw=4m/min(500×2000)

图5中，圈内表示工件表面的烧伤区域，颜色为黑色或灰黑色。烧伤是加工过程中砂轮与工件磨削接触区的温度过高而引起的，且砂轮速度越大，工件速度越高，烧伤就越严重。在对应的烧伤区域三维相貌图中，显示为红色，表明该区域相对其他区域“地理位置”较高，该区域温度较高，工件表面塑性流动加剧，从而在加工表面烧伤的区域及周围，形成了“隆起”，因而造成了加工表面粗糙度的增加。在其他磨削加工参数下工件表面也会出现同样的情况，特别是在砂轮速度为150～160m/s，工件速度为3～5m/min时烧伤比较严重。

图6是德国切削物理学家Carl Salomon提出的热沟理论：与普通切削速度范围内切削温度随速度的增大而升高不同，当切削速度增大至某一临界值(与工件材料特性有关)后，随着速度的增大，切削温度降低。图中的v1、v2表示普通磨削砂轮线速度的最大值与超高速磨削砂轮线速度的最小值，t0表示烧伤的临界值。

图6　砂轮速度与磨削温度之间的关系

在不能磨削区内，磨削温度是比较高的，由此可以表明，试验过程中砂轮线速度变化正好在v1与v2之间。也就是说，用CBN砂轮磨削GCr15轴承钢时，若要使工件表面不发生烧伤，则至少应使砂轮线速度小于120m/s或大于160m/s。

4　结论

超高速磨削GCr15轴承钢时，工件速度增加，工件表面粗糙度先增大后减小。

砂轮磨削速度为120～160m/s时，会造成GCr15轴承钢加工表面烧伤，当速度为150～160m/s，工件速度为3～5m/min时，烧伤最为严重。

烧伤区域温度较高，工件表面塑性流动加剧，从而在加工表面烧伤的区域及周围形成了“隆起”，因而造成了加工表面粗糙度的增加。

用CBN砂轮磨削GCr15轴承钢时，若要使工件表面不发生烧伤，则至少应使砂轮线速度小于120m/s或大于160m/s。

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(编辑李秀敏)

Research of GCr15 Bearing Steel’s Surface Roughness and Grinding Burn in Ultra-high Speed Grinding

In order to explore the relationship between surface roughness and burn of GCr15 bearing steel ,a ultra high speed grinding orthogonal grinding experiment of GCr15 bearing steel was carried out under different grinding wheel speeds and workpiece speeds, then the surface roughness was measured. The experiment showed that all GCr15 bearing steels were grinding burned with different degrees, especially when the grinding wheel with a speed of 150～160m/s and the workpiece with a speed of 3～5m/min, it was burned the most worst. Besides, the surface roughness would rise along with the speed of grinding wheel and workpiece increased within a certain range. Through analysising the grinding burn of three-dimensional shape, it provided the principle that grinding burn will make the surface roughness increase and analyzed the appropriate grinding processing parameters, which will provide some

for GCr15 bearing steels avoids grinding surface burning when performing ultra-high speed grinding experiment.

GCr15 bearing steel；ultra-high speed grinding；surface roughness；grinding burn

1001-2265(2016)09-0032-03DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.09.009

2016-04-06；

2016-04-23

国家自然科学基金资助项目(51275100)

刘晓初(1964—)，男，湖南耒阳人，广州大学教授，博士，研究方向为智能装备及机器人，绿色设计与制造，(E-mail)gdliuxiaochu@163.com。

TH142;TG506

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