8620H高性能齿轮钢磨削加工表面完整性研究

王跃，方群兵，汪振华

南京理工大学机械工程学院

1 引言

齿轮主要用于传递运动和动力，在飞机、汽车和工程机械等领域应用广泛。由于这些领域对齿轮的性能及精度等方面要求较高，因此需要高性能齿轮材料及高精度磨削加工技术[1]。磨削加工对工件表面完整性影响显著，通过改善磨削加工方式及优化磨削工艺参数，可以进一步提高零件表面质量[2]。

众多学者对磨削加工表面完整性方面进行了一系列研究。李亮亮[3]分别使用SiC和陶瓷CBN小磨头对TC11钛合金进行磨削加工，得到磨削加工过程中磨削力的作用模型以及最优表面完整性的磨削工艺参数。陈鑫等[4]通过高速磨削实验研究了在不同磨削工艺参数下18CrNiMo7- 6工件三维表面粗糙度和残余应力的变化规律。Mamalis A.G.等[5]通过外圆磨削表面完整性实验，得出磨削工艺参数对工件显微硬度、残余应力和表面质量有很大影响，砂轮的锐度对工件的显微硬度和残余应力等有很大影响。刘莉娟[6]通过对45钢进行磨削加工，在不同磨削用量下测试了工件表面残余应力和显微硬度等表面完整性参数，发现在一定磨削深度下，工件表面残余应力由最初的拉应力转变为压应力。Yang J.等[7]通过磨削WC-Co硬质合金，研究了表面完整性和弯曲强度之间的相关性，并且对细WC-13%Co硬质合金表面完整性和弯曲强度的影响进行了重点研究。刘伟等[8]通过外圆磨削TC4钛合金，分析了在不同磨削工艺参数下工件表面质量和显微硬度的变化规律，获得不同磨削力和磨削温度参数对工件显微硬度的影响。Klocke F.等[9]通过磨削实验讨论了表面粗糙度和表面损伤对磨削表面完整性的影响。

目前，磨削实验多采用砂轮进行加工，本文采用平面磨头对8620H高性能齿轮钢进行单因素磨削加工，分析了在不同磨削参数下8620H高性能齿轮钢表面完整性的变化规律，具有一定的实际意义。

2 试验方案

2.1 试验装置与测量

试验材料为8620H合金渗碳钢(20CrNiMoH)，将其线切割为20mm×20mm×6mm的长方体试样(见图1)，采用树脂结合剂CBN平面磨头，详细参数见表1。

试验机床为MCV-L850型三轴数控加工中心，采用瑞士Kistler公司生产的测力系统测量磨削力，如图2所示。使用Keyence VK-XX 100 series激光显微镜测量表面粗糙度及观察表面形貌，采用HV-1000IS显微硬度计测量硬度。

2.2 试验方法与数据处理

采用单因素试验法，如表2所示分别改变平面磨头转速N，磨削深度ap及工件进给速度vw，研究不同参数对磨削力、显微硬度和表面粗糙度的影响。

表2 单因素试验磨削参数

为避免偶然因素，在已加工工件表面随机选取3个点进行重复测量，取平均值作为该工件的粗糙度测量值；在距离加工表面相同深度处测量3个点，取平均值作为该点的硬度值；为排除平面磨头磨损对磨削力的影响，磨削力值取切削初始时段某平稳阶段的X，Y，Z三个方向力的合力。磨削合力可由下式求得

(1)

3 试验结果与分析

3.1 磨削力分析

图3为8620H高性能齿轮材料磨削加工过程中磨削力随平面磨头转速、磨削深度和工件进给速度变化的趋势。当磨削深度60μm，进给速度120mm/min时，磨削力随平面磨头转速变化的曲线如图3a所示。可以看到，随着平面磨头转速的提高，磨削力呈减小趋势，这是因为在相同时间内增大平面磨头转速，工件材料被磨粒切除的厚度逐渐变薄，被切离工件形成磨屑的最大未变形厚度减小，磨粒所受的切削力减小。

当平面磨头转速3000r/min，进给速度120mm/min时，在不同磨削深度下磨削力变化的曲线见图3b。可以看到，磨削深度与磨削力呈正相关，这是由于随磨削深度增大，磨粒切除相同体积工件材料所需要的时间减少，因此克服磨屑脱离工件表面产生的变形力变大，故磨粒所受的切削力随之变大。

在磨削加工过程中，保持平面磨头转速以及磨削深度不变，不同进给速度下磨削力变化的曲线见图3c。可以看到，磨削力随进给速度提高而增大，这是因为随着进给速度的提高，磨削加工相同体积工件所需的时间减少，平面磨头切削工件厚度增大。同时通过磨削工作区的有效磨粒数量减少，脱离工件形成磨屑的最大未变形厚度增大，因此磨粒所受的切削力增大。

(a)平面磨头转速

(b)磨削深度

(c)进给速度

3.2 表面粗糙度分析

表面粗糙度是衡量工件表面质量的重要指标之一，通过研究平面磨头磨削加工8620H工件产生的轮廓算术平均偏差Ra和区域形貌算术平均偏差Sa，分析不同磨削工艺参数对工件表面粗糙度的影响，从而降低8620H高性能齿轮钢表面粗糙度，提高工件表面质量，使其达到使用要求。在不同磨削参数下，磨削加工8620H材料时的表面粗糙度变化曲线见图4。可以看到，在不同参数组合下，Ra值均小于等于Sa值，因为传统的粗糙度评定采用二维评定方法，而Sa采用三维形貌测量，通过此方法可统计得到更丰富的表面空间特征，包括加工表面缺陷等随机性特征。

保持磨削深度和进给速度不变，工件表面粗糙度随平面磨头转速变化的曲线见图4a。由图可得，表面粗糙度值随平面磨头转速的提高而降低。这是因为随着平面磨头转速的提高，相同时间内参与磨削加工的有效磨粒数量增加，切离工件的磨屑厚度变薄，切痕深度减小，从而粗糙度减小。

8620H材料表面粗糙度随磨削深度改变而变化的曲线见图4b，其中，磨头转速为3000r/min，进给速度为120mm/min。由图可得，工件表面粗糙度随磨削深度的增大而增大。这是因为磨削深度增大，切除相同体积的工件所需时间减少，工件材料被磨粒切除的厚度增大，因此切痕深度增大，表面粗糙度增大。

8620H材料表面粗糙度随进给速度变化的曲线见图4c，其中，磨头转速为3000r/min，磨削深度为60μm。由图可得，随进给速度的增加，工件表面粗糙度呈减小趋势。这是因为随进给速度增加，磨削相同体积工件所用的时间减少，通过磨削区的有效磨粒数量减少，磨屑更易脱落，从而工件表面粗糙度降低，三维均匀性变好，进而提高了工件的表面形貌。

(a)平面磨头转速

(b)磨削深度

(c)进给速度

3.3 加工硬化分析

图5为8620H合金钢加工截面的显微硬度值随磨削参数变化的趋势，原始试样硬度测量值约为172HV。工件在磨削加工后表面产生加工硬化，并形成硬化层，由图5可知，硬化层深度大约为40～60μm，随着距离表面深度的继续增加，显微硬度值减少，基本呈先下降后稳定的趋势。这是因为平面磨头磨削加工合金钢的过程中高速旋转，其表层由于高温[10，11]发生热软化效应，产生塑性变形，导致工件内部晶粒滑移，并被拉长，发生破碎和纤维化等，因此工件表面硬度增加。随距离表层深度的增加，温度较加工表面有所下降，塑性变形随之减小，显微硬度逐渐减小，形成一定厚度的硬化层。

图5a为8620H合金钢加工截面的显微硬度值随平面磨头转速变化的曲线。由图可得，当平面磨头转速在1000～5000r/min内变化时，工件表面硬度随平面磨头转速的提高而减小。主要是因为平面磨头转速较高时，接触区域的温度较高，表层材料发生软化，从而表面硬度降低。图5b和5c为8620H合金钢加工截面的显微硬度值随磨削深度和工件进给速度变化的曲线。由图可得，工件表面硬度与磨削深度和进给速度呈正相关，这是由于磨削加工使工件产生塑性变形，表层晶粒为阻止工件材料的变形产生了扭曲，使该层材料产生强化效应，硬度增大。

(a)平面磨头转速

(b)磨削深度

(c)工件进给速度

4 结语

本文通过设计单因素试验对8620H高性能齿轮钢表面完整性展开研究，主要结论如下：

(1)保证其他因素不变，分别以平面磨头转速N，磨削深度ap和进给速度vw为单因素变量，当采用5000r/min的转速对8620H进行磨削加工时，工件所受的磨削力最小；当磨削深度为40μm时，则工件所受到的磨削力最小；当采用180mm/min的进给速度时，工件所受磨削力最小。在磨削加工时，为降低工件的磨削力，可以适当提高磨头转速和工件进给速度，减小磨削深度。

(2)保持其他参数不变，只改变平面磨头转速，磨头转速为5000r/min时工件表面粗糙度最优，三维表面形貌均匀性最好，表面质量最好；以磨削深度为单因素变量，磨削深度为80μm时工件表面粗糙度值最大，三维表面形貌的峰高和谷深落差最大，表面质量较差；只改变工件进给速度，以180mm/min的进给速度磨削加工时，工件表面粗糙度最小，表面形貌均匀性较好。

(3)不同磨削工艺参数下，磨削加工8620H工件后表面都会产生加工硬化，随着距离加工表面深度的增加显微硬度值减少，呈现先下降后稳定的趋势，最终形成约40～60μm的硬化层，与未加工试样表面显微硬度相比，经过磨削加工后工件表层显微硬度有一定的提升。