一种超高强度钢高效低应力磨削工艺参数的获得方法与流程

本发明属于精密、超精密磨削加工技术领域，具体涉及一种超高强度钢高效低应力磨削工艺参数的获得方法。

背景技术：

超高强度钢具有很高的强度和硬度，同时又具有很好的韧性和塑性，从力学特征上看，超高强度钢的屈服应力高，在同样的变形条件下可以承受更大的载荷，也可以吸收更多的能量。Aermet100是一种高强、高韧，并具有优良的抗应力腐蚀开裂能力和抗疲劳性能的高合金超高强度钢，因其优异的综合力学性能而被广泛地用于制造飞机起落架、气体涡轮发动机轴和机轮螺栓等航空、航天工业中重要的强力结构部件。在飞机起落架结构中使用Aermet100钢替代同等强度的300M钢能克服300M的低断裂韧性和对应力腐蚀开裂敏感等缺点；替代马氏体时效钢做机轴能保证足够的刚度和疲劳强度；替代H-11钢制造机轮螺栓可解决韧度不足、应力腐蚀开裂等问题。

超高强度钢优良的机械性能，使其对机械加工尤其是热处理后的磨削加工有着较高的要求。磨削加工是多刀同时切削的加工工艺，其本质是大量离散分布在砂轮表面形状各异的磨粒共同完成的滑擦(弹性变形)、耕犁(塑性变形)、切削(形成切屑)作用的综合效果。超高强度钢Aermet100磨削时磨粒滑擦、耕犁及切削过程中的变形抗力大，磨削力大；磨削时产生大量的磨削热，极易产生磨削烧伤，磨削热极易集中于被磨表层；磨削时易出现裂纹且磨削后表面残余拉应力大、残余应力层较深。从以上结果均会影响构件的疲劳强度。因此在超高强度钢磨削过程中，必须重视对表面残余应力的控制。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种超高强度钢高效低应力磨削工艺参数的获得方法，以解决现有超高强度钢构件磨削过程中存在的表面残余应力大和磨削效率低的问题。

本发明采用以下技术方案，一种超高强度钢高效低应力磨削工艺参数的获得方法，包括以下步骤：

步骤1、建立超高强度钢表面完整性磨削工艺参数域，并进行正交试验，通过正交试验建立超高强度钢表面完整性磨削工艺参数与表面完整性特征关系式：

其中，R_a为表面粗糙度，HV为表面显微硬度，σ_r为表面残余应力，v_s为砂轮速度，v_w为构件速度，a_f为纵向进给，a_p为径向进给，a₀、a₁、a₂、a₃、a₄、b₀、b₁、b₂、b₃、b₄、c₀、c₁、c₂、c₃、c₄均为常数；

步骤2、建立目标函数，并进行线性化处理，对步骤1中的磨削工艺参数域和特征关系式建立约束条件；

步骤3、根据步骤2中的目标函数和约束条件建立超高强度钢表面完整性高效低应力磨削工艺参数优化模型，并求解得出超高强度钢高效低应力磨削工艺参数；

步骤4、对步骤3中的磨削工艺参数下的磨削效率和低应力进行验证，得出最终超高强度钢高效低应力磨削工艺参数。

进一步地，步骤3中超高强度钢表面完整性高效低应力磨削工艺参数优化模型为：

其中，Q为单位时间材料去除率，X₁＝lgv_w，X₂＝lg(1000a_p)，X₃＝lgv_s，X₄＝lg(10a_f)。

进一步地，步骤1的具体方法如下：

步骤1.1、建立超高强度钢表面完整性磨削工艺参数域；

步骤1.2、根据步骤1.1中的磨削工艺参数域超高强度钢表面完整性磨削工艺参数域，制定多组正交试验磨削工艺参数，并根据每组正交试验磨削工艺参数加工出第一试验构件；

步骤1.3、测量出每个第一试验构件的表面完整性特征参数；

步骤1.4、根据步骤1.2中的多组正交试验磨削工艺参数和步骤1.3中的表面完整性特征参数，通过多元线性回归分析方法建立磨削工艺参数与表面完整性特征关系式。

进一步地，步骤1.1中磨削工艺参数域具体包括砂轮速度、构件速度、径向进给和纵向进给；步骤1.3中表面完整性特征参数包括表面粗糙度、表面显微硬度和表面残余应力。

进一步地，步骤2的具体方法为：

步骤2.1、建立目标函数：max Q＝v_w·a_p·v_s·a_f；

步骤2.2、线性化处理步骤2.1中目标函数，并将目标函数转化为求最小值问题，得出：

min Q＝-X₁-X₂-X₃-X₄；

步骤2.3、建立表面完整性磨削工艺参数控制域约束：

步骤2.4、建立表面粗糙度约束：

0.7696-0.264X₁+0.408X₃≤0，

步骤2.5、建立表面显微硬度约束；

2.4008-0.213X₃-0.355X₄≤0，

步骤2.6、建立表面残余应力约束：

进一步地，步骤3中磨削工艺参数通过MATLAB中优化工具箱对超高强度钢高效低应力磨削工艺参数优化模型求解得出。

进一步地，步骤4中具体验证方法为：

步骤4.1、根据步骤3中的磨削工艺参数，进行单位时间材料去除率和表面完整性特征试验，并记录为第一结果；

步骤4.2、根据步骤1中磨削工艺参数域选取磨削工艺参数，进行单位时间材料去除率和表面完整性特征试验，并记录为第二结果；

步骤4.3、通过第一结果与第二结果进行对比，当第一结果中的材料去除率和表面完整性特征优于第二结果中的材料去除率和表面完整性特征时，得出最终高温合金高效低应力磨削工艺参数；否则，重复执行步骤1至步骤4，直至得出最终超高强度钢高效低应力磨削工艺参数。

本发明的有益效果是：通过建立磨削工艺参数与表面完整性特征的关系，以高效为目标，以低应力为约束条件，获得了超高强度钢Aermet100表面完整性高效低应力磨削工艺参数，不仅能有效的防止磨削裂纹的产生，而且能很好的控制磨削表面残余应力。采用正交法进行试验设计、多元线性回归分析和MATLAB优化工具箱进行模型的求解，设计和分析方法可靠。获得的磨削工艺参数与其它磨削工艺参数相比，构件的表面粗糙度在R_a0.3μm左右，表面显微硬度在645HV左右，表面残余压应力由-175MPa降低为-155MPa，材料去除率提高了108％，实现了超高强度钢Aermet100的表面完整性高效低应力磨削，大幅度提高磨削效率和磨削精度，同时满足了航空发动机构件高可靠和长寿命的要求。

【附图说明】

图1为本发明超高强度钢高效低应力磨削工艺参数的获得方法的流程图。

【具体实施方式】

下面结合附图和具体实施方式对本发明专利进行详细说明。

本发明公开了一种超高强度钢高效低应力磨削工艺参数的获得方法，如图1所示，具体按如下步骤进行：

步骤1、建立超高强度钢表面完整性磨削工艺参数域，并进行正交试验，通过正交试验建立超高强度钢表面完整性磨削工艺参数与表面完整性特征关系式，其具体步骤如下：

步骤1.1：根据航空制造工程手册、经验或文献资料，制定超高强度钢Aermet100表面完整性磨削工艺参数域，其中，磨削方法采用外圆磨削，砂轮类型采用单晶刚玉砂轮，陶瓷结合剂，粒度80，中软级，磨削工艺参数包括砂轮速度v_s(单位为m/s)、构件速度v_w(单位为m/min)、径向进给a_p(单位为mm)、纵向进给a_f(单位为mm/r)，即[v_s,v_w,a_p,a_f]，其具体参数参见表1：

表1

步骤1.2：根据步骤1.1制定的表面完整性磨削工艺参数域内的磨削工艺参数进行正交试验：

根据制定的表面完整性磨削工艺参数域，设计多组试验参数，多组试验参数构成正交试验表，即表2：

表2

试验环境选取在MMB1420外圆磨床上进行试验，砂轮采用表1中所示的砂轮，在试验中采用乳化液进行冷却，初始构件尺寸优选为Φ30mm×100mm，并根据表2中的每组试验参数，加工出第一试验构件，本实施例中针对9组参数，每组参数加工一个构件。

步骤1.3：对步骤1.2中加工的每个第一试验构件的表面粗糙度、表面显微硬度和表面残余应力进行测试：

表面粗糙度采用TR240表面粗糙度测试仪进行测试，测试方向沿轴向，取样长度0.8mm，评定长度5.6mm；

表面显微硬度采用430SVD数字显微硬度计进行测试，试验力0.5kgf，保载时间10s；

表面残余应力采用Proto LXRD MG2000残余应力测试分析系统进行测试，测试方向沿轴向，测试靶材Cr靶，衍射角156.41°，测试电流25mA，测试电压30kV。

对以上测试结果进行记录，并生成如下测试结果，即表3：

表3

步骤1.4：根据上述步骤中得出的数据，建立磨削工艺参数与表面完整性特征的关系式

采用多元线性回归分析方法对表2的磨削工艺参数数据和表3的表面完整性特征测试数据进行拟合，建立磨削工艺参数与表面完整性特征的关系式：

本实施例中，根据上述数据可得出：

其中，R_a为试验构件表面粗糙度，HV为试验构件表面显微硬度，σ_r为试验构件表面残余应力，v_s为砂轮速度，v_w为构件速度，a_f为纵向进给，a_p为径向进给，a₀、a₁、a₂、a₃、a₄、b₀、b₁、b₂、b₃、b₄、c₀、c₁、c₂、c₃、c₄均为常数；

步骤2、建立目标函数，并进行线性化处理，对步骤1中的所述磨削工艺参数域和特征关系式建立约束条件：

步骤2.1：建立目标函数：

要达到高效磨削，优化目标为单位时间内材料去除率最高；磨削过程中单位时间材料去除率为构件速度v_w、径向进给a_p、砂轮速度v_s、纵向进给a_f的乘积，因此，建立目标函数：

max Q＝v_w·a_pxv_s·a_f，

其中，Q为单位时间材料去除率；

步骤2.2：线性化处理目标函数：

通过取对数的方法将目标函数线性化，同时将目标函数转化为求最小值问题；

由于线性规划方法要求各自变量均为非负值，同时考虑到磨削加工中常用的径向进给和纵向进给绝对值小于1，因此取对数线性化时，令X₁＝lgv_w，X₂＝lg(1000a_p)，X₃＝lgv_s，X₄＝lg(10a_f)，建立超高强度钢Aermet100表面完整性高效磨削工艺参数优化的目标函数：

max Q＝X₁+X₂+X₃+X₄，

为了优化过程计算方便，目标函数可化为求最小值问题，如下式：

min Q＝-X₁-X₂-X₃-X₄，

步骤2.3：建立表面完整性磨削工艺参数控制域约束：

根据表1，建立超高强度钢Aermet100表面完整性磨削工艺参数控制域，

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，

并转化为标准形式：

步骤2.4：建立表面粗糙度约束：

超高强度钢Aermet100磨削过程中，表面粗糙度越大，构件性能越差，因此设置最大表面粗糙度，本实施例中优选的将其最大允许值设置为0.303μm；

根据超高强度钢表面完整性磨削工艺参数与表面完整性特征关系式建立的超高强度钢Aermet100表面粗糙度经验公式，可知：

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

因此，由各磨削工艺参数的指数大小可知，砂轮速度和工件速度对表面粗糙度的影响最大，因此，只考虑砂轮速度和工件速度，径向进给和纵向进给取值优选的分别设置为0.01mm和1.0mm/r，两边取对数，并进行转化可变为：

0.7696-0.264X₁+0.408X₃≤0，

步骤2.5：建立表面显微硬度约束：

超高强度钢Aermet100磨削加工过程中，随着表面显微硬度的增大，表面会出现磨削烧伤和微裂纹，因此设置最大表面显微硬度，本实施例中将其最大允许值设置为622.96HV，

根据超高强度钢表面完整性磨削工艺参数与表面完整性特征关系式建立的超高强度钢Aermet100表面显微硬度经验公式，可知：

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

因此，由各磨削工艺参数的指数大小可知，砂轮速度和纵向进给对表面显微硬度的影响最大，因此，只考虑砂轮速度和纵向进给，构件速度和径向进给取值优选的分别设置为11.9m/min和0.01mm，两边取对数，并进行转化可变为：

2.4008-0.213X₃-0.355X₄≤0；

步骤2.6：建立表面残余应力约束：

超高强度钢Aermet100磨削加工过程中，形成的都是残余压应力，随着表面残余压应力的增大，疲劳寿命升高，同时需要考虑低应力的控制，因此，优选的设置最低表面残余压应力为100MPa和最高表面残余压应力为200MPa，即：

因此，由各磨削工艺参数的指数大小可知，砂轮速度对表面残余应力的影响最大，只考虑砂轮速度，构件速度、径向进给和纵向进给取值优选的分别设置为11.9m/min、0.01mm和1.0mm/r，两边取对数，并进行转化可变为：

步骤3：建立超高强度钢Aermet100表面完整性高效低应力磨削工艺参数优化模型：

根据步骤2.1至步骤2.6，建立超高强度钢Aermet100表面完整性高效低应力磨削工艺参数优化模型：

利用MATLAB中优化工具箱对步骤3中的超高强度钢表面完整性高效低应力磨削工艺参数优化模型进行求解，最终求得：

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。此磨削工艺参数仅仅用于磨削过程中的最后工序—精磨，用于保证最终磨削的表面完整性，获得低应力的同时从而提高磨削效率。

步骤4：模型的应用验证：

步骤4.1、根据步骤3中的磨削工艺参数，进行单位时间内金属材料去除率和表面完整性特征试验，并记录为第一结果；

步骤4.2、根据步骤1中所述磨削工艺参数域选取磨削工艺参数，进行单位时间内金属材料去除率和表面完整性特征试验，并记录为第二结果；

第一结果和第二结果具体如表4所示：

表4

步骤4.3、通过第一结果与第二结果进行对比，确定步骤3中的磨削工艺参数的有效性。

当第一结果中的材料去除率和表面完整性特征优于第二结果中的材料去除率和表面完整性特征时，得出最终高温合金高效低应力磨削工艺参数；否则，重复执行步骤1至步骤4，直至得出最终超高强度钢高效低应力磨削工艺参数

由此可见，本实施例一种超高强度钢Aermet100高效低应力磨削工艺参数的获得方法，其特点为，通过建立磨削工艺参数与表面完整性特征关系式，以加工效率为目标，以表面粗糙度、表面显微硬度和表面残余应力为约束，对磨削工艺参数进行优化，获得表面完整性高效低应力磨削工艺参数。

本发明可用于指导超高强度钢Aermet100表面完整性高效低应力磨削工艺参数的确定，显著提高构件的磨削表面完整性，同时防止磨削裂纹的产生，保证构件的疲劳寿命。