一種超高強度鋼高效低應力磨削工藝參數的獲得方法與流程

本發明屬于精密、超精密磨削加工技術領域，具體涉及一種超高強度鋼高效低應力磨削工藝參數的獲得方法。

背景技術：

超高強度鋼具有很高的強度和硬度，同時又具有很好的韌性和塑性，從力學特征上看，超高強度鋼的屈服應力高，在同樣的變形條件下可以承受更大的載荷，也可以吸收更多的能量。Aermet100是一種高強、高韌，并具有優良的抗應力腐蝕開裂能力和抗疲勞性能的高合金超高強度鋼，因其優異的綜合力學性能而被廣泛地用于制造飛機起落架、氣體渦輪發動機軸和機輪螺栓等航空、航天工業中重要的強力結構部件。在飛機起落架結構中使用Aermet100鋼替代同等強度的300M鋼能克服300M的低斷裂韌性和對應力腐蝕開裂敏感等缺點；替代馬氏體時效鋼做機軸能保證足夠的剛度和疲勞強度；替代H-11鋼制造機輪螺栓可解決韌度不足、應力腐蝕開裂等問題。

超高強度鋼優良的機械性能，使其對機械加工尤其是熱處理后的磨削加工有著較高的要求。磨削加工是多刀同時切削的加工工藝，其本質是大量離散分布在砂輪表面形狀各異的磨粒共同完成的滑擦(彈性變形)、耕犁(塑性變形)、切削(形成切屑)作用的綜合效果。超高強度鋼Aermet100磨削時磨粒滑擦、耕犁及切削過程中的變形抗力大，磨削力大；磨削時產生大量的磨削熱，極易產生磨削燒傷，磨削熱極易集中于被磨表層；磨削時易出現裂紋且磨削后表面殘余拉應力大、殘余應力層較深。從以上結果均會影響構件的疲勞強度。因此在超高強度鋼磨削過程中，必須重視對表面殘余應力的控制。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種超高強度鋼高效低應力磨削工藝參數的獲得方法，以解決現有超高強度鋼構件磨削過程中存在的表面殘余應力大和磨削效率低的問題。

本發明采用以下技術方案，一種超高強度鋼高效低應力磨削工藝參數的獲得方法，包括以下步驟：

步驟1、建立超高強度鋼表面完整性磨削工藝參數域，并進行正交試驗，通過正交試驗建立超高強度鋼表面完整性磨削工藝參數與表面完整性特征關系式：

其中，R_a為表面粗糙度，HV為表面顯微硬度，σ_r為表面殘余應力，v_s為砂輪速度，v_w為構件速度，a_f為縱向進給，a_p為徑向進給，a₀、a₁、a₂、a₃、a₄、b₀、b₁、b₂、b₃、b₄、c₀、c₁、c₂、c₃、c₄均為常數；

步驟2、建立目標函數，并進行線性化處理，對步驟1中的磨削工藝參數域和特征關系式建立約束條件；

步驟3、根據步驟2中的目標函數和約束條件建立超高強度鋼表面完整性高效低應力磨削工藝參數優化模型，并求解得出超高強度鋼高效低應力磨削工藝參數；

步驟4、對步驟3中的磨削工藝參數下的磨削效率和低應力進行驗證，得出最終超高強度鋼高效低應力磨削工藝參數。

進一步地，步驟3中超高強度鋼表面完整性高效低應力磨削工藝參數優化模型為：

其中，Q為單位時間材料去除率，X₁＝lgv_w，X₂＝lg(1000a_p)，X₃＝lgv_s，X₄＝lg(10a_f)。

進一步地，步驟1的具體方法如下：

步驟1.1、建立超高強度鋼表面完整性磨削工藝參數域；

步驟1.2、根據步驟1.1中的磨削工藝參數域超高強度鋼表面完整性磨削工藝參數域，制定多組正交試驗磨削工藝參數，并根據每組正交試驗磨削工藝參數加工出第一試驗構件；

步驟1.3、測量出每個第一試驗構件的表面完整性特征參數；

步驟1.4、根據步驟1.2中的多組正交試驗磨削工藝參數和步驟1.3中的表面完整性特征參數，通過多元線性回歸分析方法建立磨削工藝參數與表面完整性特征關系式。

進一步地，步驟1.1中磨削工藝參數域具體包括砂輪速度、構件速度、徑向進給和縱向進給；步驟1.3中表面完整性特征參數包括表面粗糙度、表面顯微硬度和表面殘余應力。

進一步地，步驟2的具體方法為：

步驟2.1、建立目標函數：max Q＝v_w·a_p·v_s·a_f；

步驟2.2、線性化處理步驟2.1中目標函數，并將目標函數轉化為求最小值問題，得出：

min Q＝-X₁-X₂-X₃-X₄；

步驟2.3、建立表面完整性磨削工藝參數控制域約束：

步驟2.4、建立表面粗糙度約束：

0.7696-0.264X₁+0.408X₃≤0，

步驟2.5、建立表面顯微硬度約束；

2.4008-0.213X₃-0.355X₄≤0，

步驟2.6、建立表面殘余應力約束：

進一步地，步驟3中磨削工藝參數通過MATLAB中優化工具箱對超高強度鋼高效低應力磨削工藝參數優化模型求解得出。

進一步地，步驟4中具體驗證方法為：

步驟4.1、根據步驟3中的磨削工藝參數，進行單位時間材料去除率和表面完整性特征試驗，并記錄為第一結果；

步驟4.2、根據步驟1中磨削工藝參數域選取磨削工藝參數，進行單位時間材料去除率和表面完整性特征試驗，并記錄為第二結果；

步驟4.3、通過第一結果與第二結果進行對比，當第一結果中的材料去除率和表面完整性特征優于第二結果中的材料去除率和表面完整性特征時，得出最終高溫合金高效低應力磨削工藝參數；否則，重復執行步驟1至步驟4，直至得出最終超高強度鋼高效低應力磨削工藝參數。

本發明的有益效果是：通過建立磨削工藝參數與表面完整性特征的關系，以高效為目標，以低應力為約束條件，獲得了超高強度鋼Aermet100表面完整性高效低應力磨削工藝參數，不僅能有效的防止磨削裂紋的產生，而且能很好的控制磨削表面殘余應力。采用正交法進行試驗設計、多元線性回歸分析和MATLAB優化工具箱進行模型的求解，設計和分析方法可靠。獲得的磨削工藝參數與其它磨削工藝參數相比，構件的表面粗糙度在R_a0.3μm左右，表面顯微硬度在645HV左右，表面殘余壓應力由-175MPa降低為-155MPa，材料去除率提高了108％，實現了超高強度鋼Aermet100的表面完整性高效低應力磨削，大幅度提高磨削效率和磨削精度，同時滿足了航空發動機構件高可靠和長壽命的要求。

【附圖說明】

圖1為本發明超高強度鋼高效低應力磨削工藝參數的獲得方法的流程圖。

【具體實施方式】

下面結合附圖和具體實施方式對本發明專利進行詳細說明。

本發明公開了一種超高強度鋼高效低應力磨削工藝參數的獲得方法，如圖1所示，具體按如下步驟進行：

步驟1、建立超高強度鋼表面完整性磨削工藝參數域，并進行正交試驗，通過正交試驗建立超高強度鋼表面完整性磨削工藝參數與表面完整性特征關系式，其具體步驟如下：

步驟1.1：根據航空制造工程手冊、經驗或文獻資料，制定超高強度鋼Aermet100表面完整性磨削工藝參數域，其中，磨削方法采用外圓磨削，砂輪類型采用單晶剛玉砂輪，陶瓷結合劑，粒度80，中軟級，磨削工藝參數包括砂輪速度v_s(單位為m/s)、構件速度v_w(單位為m/min)、徑向進給a_p(單位為mm)、縱向進給a_f(單位為mm/r)，即[v_s,v_w,a_p,a_f]，其具體參數參見表1：

表1

步驟1.2：根據步驟1.1制定的表面完整性磨削工藝參數域內的磨削工藝參數進行正交試驗：

根據制定的表面完整性磨削工藝參數域，設計多組試驗參數，多組試驗參數構成正交試驗表，即表2：

表2

試驗環境選取在MMB1420外圓磨床上進行試驗，砂輪采用表1中所示的砂輪，在試驗中采用乳化液進行冷卻，初始構件尺寸優選為Φ30mm×100mm，并根據表2中的每組試驗參數，加工出第一試驗構件，本實施例中針對9組參數，每組參數加工一個構件。

步驟1.3：對步驟1.2中加工的每個第一試驗構件的表面粗糙度、表面顯微硬度和表面殘余應力進行測試：

表面粗糙度采用TR240表面粗糙度測試儀進行測試，測試方向沿軸向，取樣長度0.8mm，評定長度5.6mm；

表面顯微硬度采用430SVD數字顯微硬度計進行測試，試驗力0.5kgf，保載時間10s；

表面殘余應力采用Proto LXRD MG2000殘余應力測試分析系統進行測試，測試方向沿軸向，測試靶材Cr靶，衍射角156.41°，測試電流25mA，測試電壓30kV。

對以上測試結果進行記錄，并生成如下測試結果，即表3：

表3

步驟1.4：根據上述步驟中得出的數據，建立磨削工藝參數與表面完整性特征的關系式

采用多元線性回歸分析方法對表2的磨削工藝參數數據和表3的表面完整性特征測試數據進行擬合，建立磨削工藝參數與表面完整性特征的關系式：

本實施例中，根據上述數據可得出：

其中，R_a為試驗構件表面粗糙度，HV為試驗構件表面顯微硬度，σ_r為試驗構件表面殘余應力，v_s為砂輪速度，v_w為構件速度，a_f為縱向進給，a_p為徑向進給，a₀、a₁、a₂、a₃、a₄、b₀、b₁、b₂、b₃、b₄、c₀、c₁、c₂、c₃、c₄均為常數；

步驟2、建立目標函數，并進行線性化處理，對步驟1中的所述磨削工藝參數域和特征關系式建立約束條件：

步驟2.1：建立目標函數：

要達到高效磨削，優化目標為單位時間內材料去除率最高；磨削過程中單位時間材料去除率為構件速度v_w、徑向進給a_p、砂輪速度v_s、縱向進給a_f的乘積，因此，建立目標函數：

max Q＝v_w·a_pxv_s·a_f，

其中，Q為單位時間材料去除率；

步驟2.2：線性化處理目標函數：

通過取對數的方法將目標函數線性化，同時將目標函數轉化為求最小值問題；

由于線性規劃方法要求各自變量均為非負值，同時考慮到磨削加工中常用的徑向進給和縱向進給絕對值小于1，因此取對數線性化時，令X₁＝lgv_w，X₂＝lg(1000a_p)，X₃＝lgv_s，X₄＝lg(10a_f)，建立超高強度鋼Aermet100表面完整性高效磨削工藝參數優化的目標函數：

max Q＝X₁+X₂+X₃+X₄，

為了優化過程計算方便，目標函數可化為求最小值問題，如下式：

min Q＝-X₁-X₂-X₃-X₄，

步驟2.3：建立表面完整性磨削工藝參數控制域約束：

根據表1，建立超高強度鋼Aermet100表面完整性磨削工藝參數控制域，

10.1≤v_w≤20.2,0.005≤a_p≤0.01,25≤v_s≤30,0.5≤a_f≤1.0，

即：

1.004≤X₁≤1.305,0.69≤X₂≤1,1.398≤X₃≤1.477,0.699≤X₄≤1.0，

并轉化為標準形式：

步驟2.4：建立表面粗糙度約束：

超高強度鋼Aermet100磨削過程中，表面粗糙度越大，構件性能越差，因此設置最大表面粗糙度，本實施例中優選的將其最大允許值設置為0.303μm；

根據超高強度鋼表面完整性磨削工藝參數與表面完整性特征關系式建立的超高強度鋼Aermet100表面粗糙度經驗公式，可知：

R_a＝10^-0.612v_w^-0.264v_s^0.408a_p^0.032a_f^0.022≤0.303，

因此，由各磨削工藝參數的指數大小可知，砂輪速度和工件速度對表面粗糙度的影響最大，因此，只考慮砂輪速度和工件速度，徑向進給和縱向進給取值優選的分別設置為0.01mm和1.0mm/r，兩邊取對數，并進行轉化可變為：

0.7696-0.264X₁+0.408X₃≤0，

步驟2.5：建立表面顯微硬度約束：

超高強度鋼Aermet100磨削加工過程中，隨著表面顯微硬度的增大，表面會出現磨削燒傷和微裂紋，因此設置最大表面顯微硬度，本實施例中將其最大允許值設置為622.96HV，

根據超高強度鋼表面完整性磨削工藝參數與表面完整性特征關系式建立的超高強度鋼Aermet100表面顯微硬度經驗公式，可知：

HV＝10^2.594v_w^0.009v_s^-0.213a_p^-0.032a_f^-0.355≤622.96，

因此，由各磨削工藝參數的指數大小可知，砂輪速度和縱向進給對表面顯微硬度的影響最大，因此，只考慮砂輪速度和縱向進給，構件速度和徑向進給取值優選的分別設置為11.9m/min和0.01mm，兩邊取對數，并進行轉化可變為：

2.4008-0.213X₃-0.355X₄≤0；

步驟2.6：建立表面殘余應力約束：

超高強度鋼Aermet100磨削加工過程中，形成的都是殘余壓應力，隨著表面殘余壓應力的增大，疲勞壽命升高，同時需要考慮低應力的控制，因此，優選的設置最低表面殘余壓應力為100MPa和最高表面殘余壓應力為200MPa，即：

因此，由各磨削工藝參數的指數大小可知，砂輪速度對表面殘余應力的影響最大，只考慮砂輪速度，構件速度、徑向進給和縱向進給取值優選的分別設置為11.9m/min、0.01mm和1.0mm/r，兩邊取對數，并進行轉化可變為：

步驟3：建立超高強度鋼Aermet100表面完整性高效低應力磨削工藝參數優化模型：

根據步驟2.1至步驟2.6，建立超高強度鋼Aermet100表面完整性高效低應力磨削工藝參數優化模型：

利用MATLAB中優化工具箱對步驟3中的超高強度鋼表面完整性高效低應力磨削工藝參數優化模型進行求解，最終求得：

X₁＝1.079，X₂＝0.544，X₃＝1.477，X₄＝1；即：v_w＝12m/min，a_p＝0.005mm，v_s＝30m/s，a_f＝1.0m/r。此磨削工藝參數僅僅用于磨削過程中的最后工序—精磨，用于保證最終磨削的表面完整性，獲得低應力的同時從而提高磨削效率。

步驟4：模型的應用驗證：

步驟4.1、根據步驟3中的磨削工藝參數，進行單位時間內金屬材料去除率和表面完整性特征試驗，并記錄為第一結果；

步驟4.2、根據步驟1中所述磨削工藝參數域選取磨削工藝參數，進行單位時間內金屬材料去除率和表面完整性特征試驗，并記錄為第二結果；

第一結果和第二結果具體如表4所示：

表4

步驟4.3、通過第一結果與第二結果進行對比，確定步驟3中的磨削工藝參數的有效性。

當第一結果中的材料去除率和表面完整性特征優于第二結果中的材料去除率和表面完整性特征時，得出最終高溫合金高效低應力磨削工藝參數；否則，重復執行步驟1至步驟4，直至得出最終超高強度鋼高效低應力磨削工藝參數

由此可見，本實施例一種超高強度鋼Aermet100高效低應力磨削工藝參數的獲得方法，其特點為，通過建立磨削工藝參數與表面完整性特征關系式，以加工效率為目標，以表面粗糙度、表面顯微硬度和表面殘余應力為約束，對磨削工藝參數進行優化，獲得表面完整性高效低應力磨削工藝參數。

本發明可用于指導超高強度鋼Aermet100表面完整性高效低應力磨削工藝參數的確定，顯著提高構件的磨削表面完整性，同時防止磨削裂紋的產生，保證構件的疲勞壽命。