杨春强 黄 云 吴建强

1.重庆大学,重庆,400030 2.重庆市材料表面精密加工及成套装备工程技术研究中心,重庆,400021

0 引言

螺旋桨是船舶动力机械的关键部件,直径较大、曲面形状复杂、精度高。制造出几何精度高和表面质量好的螺旋桨叶片对于提高船舶的工作效率具有重要作用[1]。目前,工业发达国家已将数控加工中心和五轴数控铣床用于船用螺旋桨叶片的加工,使叶片加工效率、几何精度及表面质量得到较大提高[2-3]。国内有很多院校和科研机构对螺旋桨加工技术进行了研究[4-6]。但是,这些研究大多还处在理论与试验的阶段,我国很多螺旋桨厂仍使用三坐标机床或手工打磨进行螺旋桨加工,采用这种方法进行生产不但劳动强度大、加工周期长、生产效率低,而且加工出来的螺旋桨叶片一致性差,误差较大。

笔者基于国内开发的四轴联动数控砂带磨床,研究磨削参数等因素对螺旋桨表面粗糙度和表面残余应力的影响,获得最佳的磨削参数,以期提高螺旋桨的磨削质量。

1 四轴联动船用螺旋桨砂带磨削原理

图1 四轴联动船用螺旋桨砂带磨削原理图

图1为四轴联动船用螺旋桨叶片砂带磨削原理图。该机床具有两个直线运动和两个旋转运动,其中,磨头横向移动轴为X轴,可实现磨头接触轮和螺旋桨表面的接触,保证螺旋桨叶片压力面和吸力面的加工;磨头上下移动轴为Z轴,可保证叶片纵向的加工;螺旋桨叶片工件回转轴为C轴,可保证叶片扇形方向的加工;工件摆动转轴为 A轴,可保证在加工叶片时磨头与曲面更好地拟合,各轴的动作方式如图1所示。加工时,四轴由数控程序驱动同时运行,叶片置于回转摆动工作转台的专用夹具上,随着转台的旋转,螺旋桨一次装夹可实现压力面和吸力面的磨削加工,经一次砂带更换可完成叶片粗磨和精磨两道工序。

2 试验条件和方法

2.1 试验材料及条件

试验用螺旋桨叶片材料为锰青铜,其化学成分如表1所示。磨削试验条件见表2。

表1 螺旋桨叶片化学成分(质量分数) %

表2 试验条件

2.2 试验方法

试验在重庆三磨海达磨床有限公司研发的四轴联动数控砂带磨床上进行。使用北京时代之峰科技有限公司制造的粗糙度仪T R200,分别测量压力面和吸力面在0.4R、0.6R和0.8R(R为螺旋桨半径)处的表面粗糙度,然后取其平均值作为最终的粗糙度Ra的值。使用X-350A型X射线应力测定仪测量表面残余应力。磨削前的工件如图2所示。

图2 磨削前工件外形

2.3 正交试验设计

影响砂带磨削表面质量的因素很多,为了有效减少试验次数又能找出主要影响规律,本文采用正交试验方法研究砂带磨削后工件表面粗糙度及其影响规律[7],选择砂带粒度、接触轮硬度、砂带线速度、磨削进给速度和磨削深度五个因素。具体试验设计如表3所示。

表3 正交试验设计

3 试验结果和分析

3.1 表面粗糙度的影响因素研究

表面粗糙度是评价加工表面质量指标的重要参数,粗糙度的大小直接影响零件的工作精度、配合性能、耐腐蚀性等[8]。磨削加工一般作为机械零件的最后一道加工工序,其主要目的是保证零件的表面粗糙度和形状精度要求[9-10]。由于砂带磨削具有良好的研磨抛光作用,因而磨削后的工件可获得比较小的粗糙度值[11]。

按照表3所设计的正交试验所得结果可知:砂带粒度对磨削表面粗糙度影响最显著,其次是砂带线速度、接触轮硬度、磨削进给速度和磨削深度。砂带粒度越小,磨削表面粗糙度值越小,同时还可以通过选择适当的砂带线速度和接触轮硬度来减小表面粗糙度值。

为了进一步研究砂带粒度、砂带线速度、接触轮硬度、磨削深度和磨削进给速度对表面粗糙度的影响,本文采用单因素试验分别讨论了各因素对表面粗糙度的影响。

3.1.1 砂带粒度对表面粗糙度的影响

图3是砂带线速度为28m/s、接触轮硬度为80HS、磨削深度为 0.2mm、磨削进给速度为4m/min时,砂带粒度和表面粗糙度的关系图。可以看出,表面粗糙度值随着砂带粒度变小而减小,使用P36粒度的砂带表面粗糙度较大,P240粒度砂带使工件的表面粗糙度Ra降到了0.4 μ m左右。这是因为细磨粒加工中产生的划痕及隆起相应较小,相当于研磨和抛光,使表面粗糙度值减小。

图3 砂带粒度与表面粗糙度的关系

3.1.2 砂带线速度对表面粗糙度的影响

图4是砂带粒度为 P80、接触轮硬度为80HS、磨削深度为 0.2mm、磨削进给速度为4m/min时,砂带线速度和表面粗糙度的关系图。可以看出,表面粗糙度值随着砂带线速度的增加而减小。这是因为随着砂带速度vs的提高,单位时间内进入磨削区的磨粒数增多,单颗磨粒切削深度变小,工件表面变形小,工件与磨粒的接触时间缩短,减小了工件因磨粒耕犁形成的隆起高度以及热塑性变形,因而工件粗糙度值随之减小。

3.1.3 接触轮硬度对表面粗糙度的影响

图4 砂带线速度与表面粗糙度的关系

图5为砂带线速度为28m/s、砂带粒度为P80、磨削深度为0.2mm、磨削进给速度为4m/min时,接触轮硬度和表面粗糙度的关系图。可以看出,工件的表面粗糙度值随接触轮硬度的增大而增大。软接触轮的特点是磨粒上承受的压力较小,减小了砂带磨削力,较好适应工件外形,磨削时使用软接触轮和细粒度砂带,能取得较好的磨削效果。硬接触轮的特点是磨粒上承受的压力较大,增大了砂带磨削力,与工件外形适应不好,但能取得更大的磨削量。

图5 接触轮硬度与表面粗糙度的关系

3.1.4 磨削深度对表面粗糙度的影响

图6是砂带线速度为28m/s、砂带粒度为P80、接触轮硬度为 80HS、磨削进给速度为4m/min时,磨削深度和表面粗糙度的关系图。可以看出,磨削深度对表面粗糙度的影响相对较小。随着磨削深度增加,表面粗糙度略有增大。这是因为表面粗糙度与磨削深度相比要小得多,但磨削深度增加会造成砂带磨损加剧,磨削能力削弱,

图6 磨削深度与表面粗糙度的关系

进而引起系统振动,增大工件表面粗糙度值。

3.1.5 磨削进给速度对表面粗糙度的影响

图7是砂带线速度为28m/s、砂带粒度为P80、接触轮硬度为 80HS、磨削深度为0.2mm时,磨削进给速度和表面粗糙度的关系图。可以看出,磨削进给速度对表面粗糙度的影响类似于磨削深度的影响。随着磨削进给速度的增加,工件表面粗糙度值略有增大。

图7 磨削进给速度与表面粗糙度的关系

3.2 表面残余应力的影响因素研究

残余应力是零件加工表面质量的主要指标之一,表面残余应力对耐疲劳、抗腐蚀等性能有很大影响[12-13]。研究零件表面残余应力的形成,及其与磨削加工工艺因素的相互关系,对于预测和控制零件的加工表面质量都具有重要意义[14]。

3.2.1 砂带粒度对表面残余应力的影响

图8是砂带线速度为28m/s、磨削深度为0.2mm、接触轮硬度为80HS时,砂带粒度和残余应力的关系图。可以看出,经过砂带磨削后的螺旋桨表面产生残余压应力,且随着砂带粒度的变小,残余压应力变小。这是因为随着砂带磨粒变小,单颗磨粒磨削厚度减小,对工件的挤压作用变小,同时采用的湿式磨削使得磨削热所产生的拉伸热应力影响作用很小。

3.2.2 磨削深度对表面残余应力的影响

图9是砂带线速度为28m/s、砂带粒度为P120、接触轮硬度为80HS时,磨削深度和残余应力的关系图。可以看出,随着磨削深度增加,残余压应力不断增大,当磨削深度达到0.5mm时,残余压应力却有所减小。这是因为随着磨削深度的继续增大,载荷越来越大,磨削温度升高,使残余应力向拉伸方向发展,所以残余压应力有一定程度的减小。

图8 砂带粒度与表面残余应力的关系

图9 磨削深度与表面残余应力的关系

3.2.3 砂带磨削残余应力的形成原因分析

砂带磨粒顶端可近似地视为带钝角的锥体,在磨削力的作用下,磨粒前方将对基体产生拉应力,该应力在超过材料屈服极限时,其拉伸变形在磨削结束后仍不能彻底恢复,所以在磨削方向形成残余拉应力;切屑分离后的表面在磨粒的挤压下,由于残余压缩变形而产生残余压应力。由于砂带磨削是弹性磨削,因此磨粒在磨削时对工件产生的挤压作用很强,远远大于切屑分离时的拉伸作用。在磨削垂直方向上,磨粒两侧的金属都受到较强烈的挤压,所以导致较大的残余压应力。此外,工件表面在磨粒挤压、滑擦、耕犁等综合作用下,产生的塑性形变会引起晶格歪曲、畸变,也会形成表面残余压应力,并在表面下层形成拉应力。所以综合以上分析可知,砂带在磨削时,工件表面常常呈残余压应力状态。

在磨削高温作用下,金相组织变化造成比容积改变,也会引起残余应力。砂带散热条件好,该因素影响较小。

以上分析表明,砂带磨削产生的残余应力主要是因挤压而形成的,产生的残余压应力对零件表面的疲劳强度十分有利,这也是砂带磨削区别于砂轮磨削的一个重要特征。

螺旋桨叶片磨削现场和磨削后的工件如图10和图11所示。

图10 螺旋桨叶片磨削现场

图11 磨削后工件外形

4 结论

(1)砂带粒度对工件表面粗糙度的影响最为显著,接下来依次为砂带线速度、接触轮硬度、磨削进给速度和磨削深度。工件表面粗糙度Ra随着砂带粒度的减小和砂带线速度的增加而减小,随着接触轮硬度的增加而增大,随着磨削进给速度和磨削深度的增加而略有增大。

(2)砂带弹性磨削的特点使磨粒在磨削时对工件产生的挤压作用很强,远远大于切屑分离时的拉伸作用,因此砂带磨削的残余应力主要以因挤压而形成的残余压应力为主。砂带磨粒变小,残余压应力变小;随着磨削深度增加,残余压应力不断增大,当磨削深度达到0.5mm时,残余压应力却有所减小。

(3)获得的最佳表面粗糙度的磨削参数如下:砂带粒度为P240,砂带线速度为34m/s,接触轮硬度为60HS,磨削深度为0.2mm,磨削进给速度为5m/min。

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