磨削白层特性及其与声发射信号的相关性_毛聪.pdf

第 59 卷第 9 期 2023 年 5 月 机 械 工 程 学 报 JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING Vol.59 No.9 May 2023 DOI：10.3901/JME.2023.09.349 磨削白层特性及其与声发射信号的相关性 毛 聪1 孙鹏程1 唐伟东1 张明军1 罗源嫱1 胡永乐1 张德嘉1 唐 昆1 管付如2(1.长沙理工大学机械装备高性能智能制造关键技术湖南省重点实验室 长沙 410114；2.湖南五新隧道智能装备股份有限公司 长沙 410100)摘要：磨削白层严重影响零件的服役性能和寿命。为了研究磨削白层的物理本质，揭示磨削白层特性与声发射信号频谱幅值的相互关联，开展了淬硬 GCr15 轴承钢磨削实验，观测了磨削白层特性，揭示了磨削机械挤压和磨削热的耦合作用下声发射信号频谱规律。研究表明，白层组织更加致密，耐腐蚀性更强，显微硬度高于暗层与基体组织；磨削白层受到磨削温度与塑性形变的协同影响，当磨削温度低于工件材料名义相变温度时，在剧烈的塑性变形诱导下，磨削表面也会出现白层，当磨削温度超过名义相变温度时，白层厚度会突增；磨削时声发射信号受机械挤压应力和热应力效应协同影响，低频段幅值主要取决于机械挤压应力，高频段幅值主要受热应力效应影响，当磨削温度超过名义相变温度时，工件材料分/原子内能显著增大，进而产生无序高频振动，从而高频段幅值急剧增大。揭示了声发射信号高频段幅值与白层厚度之间关联关系，磨削过程中根据高频段幅值是否出现突变，可以判断磨削表面和亚表面是否出现相变及产生厚的白层。为白层厚度可控的磨削提供了在线监测方法。关键词：磨削；白层；声发射；频谱幅值；微观组织 中图分类号：TG580 Features of Grinding White Layer and Its Correlation with Acoustic Emission Signal MAO Cong1 SUN Pengcheng1 TANG Weidong1 ZHANG Mingjun1 LUO Yuanqiang1 HU Yongle1 ZHANG Dejia1 TANG Kun1 GUAN Furu2(1.Hunan Provincial Key Laboratory of Intelligent Manufacturing Technology for High-performance Mechanical Equipment,Changsha University of Science and Technology,Changsha 410114;2.Hunan Wuxin Tunnel Intelligent Equipment Co.,Ltd.,Changsha 410100)Abstract:Grinding white layer seriously affects the service performance and life of the parts.To study the physical nature of grinding white layer and reveal the correlation between features of grinding white layer and spectrum amplitude of acoustic emission(AE)signal,grinding experiments of hardened GCr15 bearing steel are carried out to observe the characteristics of grinding white layer and reveal the frequency law of acoustic emission signal under the coupling effect of grinding mechanical extrusion and grinding heat.The results show that the microstructure of white layer is denser.The corrosion resistance and microhardness of white layer are superior to those of dark layer and matrix material.The grinding white layer is synergistically affected by grinding temperature and plastic deformation.When grinding temperature is lower than the nominal phase transition temperature of the workpiece material,the grinding white layer also appears under the induction of severe plastic deformation.The thickness of white layer increases suddenly when grinding temperature exceeds the nominal phase transition temperature.During grinding,the acoustic emission signal is synergistically affected by mechanical extrusion stress and thermal stress,the amplitude in low frequency band is mainly determined by mechanical extrusion stress,and the amplitude in high frequency is mainly affected by thermal stress.When grinding temperature 国家自然科学基金(51875050,52275405)和湖南省科技计划(2021GK2021，2022ZYC017)资助项目。20220718 收到初稿，20230204 收到修改稿 机 械 工 程 学 报 第 59 卷第 9 期期 350 exceeds the nominal phase transition temperature,the internal energy of molecules/atoms in workpiece increases significantly,resulting in disordered high-frequency vibration,and the high-frequency amplitude increases sharply.The correlation between the high-frequency amplitude of acoustic emission signal and the thickness of white layer is revealed.According to whether there is a mutation of high-frequency amplitude in grinding process,the appearance of phase transformation and thick white layer at surface and sub-surface can be judged.Online monitoring method is provided for grinding with controllable white layer thickness.Key words:grinding；white layer；acoustic emission；spectrum amplitude；microstructure 0 前言 随着航空航天、轨道交通与工程机械等行业的飞速发展，镍/钛合金、高温合金和高铬钢等高性能金属材料得到广泛应用1。一些金属材料在特定的加工条件下会形成一种特殊的变质层，该类变质层难以被腐蚀，在光学显微镜下通常呈现白色，因此被称为“白层”。针对加工所致白层的特性，国内外学者做了许多相关研究，如 CARSTEN 等2研究了钢轨表面磨削过程中形成的白层，揭示了白层与裂纹萌生的关系。ZHANG 等3研究了车削过程中白层内部金相的转变与动态再结晶机制。杜劲等4进行了镍基高温合金铣削实验，研究了铣削速度对白层的影响。CHEN 等5研究了电火花加工白层的特性，同时根据温度分布和金相转变的临界温度，对工件白层厚度进行了高精度预测。SATYANARAYANAN 等6在不同的激光加工条件下，对工件表面的白层进行了显微组织分析。这些研究表明，白层一般是由残余奥氏体、未回火马氏体和碳化物等组成7，具有硬度高、脆性大、晶粒细化等特点8。一方面，白层的高硬度特点能够提高工件的耐磨性能9；另一方面，白层的高脆性又使得零件在服役时容易萌生微观裂纹10，影响工件的服役性能。就磨削加工而言，可以通过微切深来减少白层的产生，但是减小切深会延长加工时间，降低加工效率，提高加工成本。所以研究磨削白层特性，对优化磨削参数以提高工件的加工效率和加工质量具有重要意义。磨削白层主要存在于工件表面及亚表面11，所以对白层的研究通常需要观察工件截面。而实际磨削过程中，不可能为了探究是否产生白层而对工件进行破坏性检测，因此亟需寻求一种无损检测方法以监测磨削加工过程，评估磨削加工质量12。对于白层特征的无损检测，国内外学者从不同的检测原理出发，做了相关的研究。如 ABUNABAH 和NAGY13利用电涡流检测技术，对工件表面残余应力的分布进行了研究。蒋生辉等14搭建了基于磁巴克豪森噪声的钢轨白层无损检测系统，探究了信号特征值与白层面积的关系。GUO 与 AMMULA15通过分析车削过程中的声发射信号，发现相关信号的均方根值、频率及计数率与车削白层形成有较好的相关性。在诸多无损检测技术中，声发射检测技术具有响应速度快、灵敏度高、包含的特征信息多等优 点16，在监测砂轮磨损状态17、评估砂轮修整状 况18、监测磨削表面粗糙度19以及预测磨削烧伤20等方面均有较大的应用潜能。如 ARUN 等17开展了外圆磨削实验，利用决策树、人工神经网络和支持向量机等机器学习技术实时分析了声发射信号，实现了对砂轮状态的预测。BADGER 等18量化了声发射强度与修整能量之间的关系，提出了声发射修整比能的概念，用于量化修整效率和砂轮锐度。FENG 等19通过研究表面粗糙度与声发射产生机理之间的理论关系，提出了一种基于声发射信号的表面粗糙度估计方法。GAO 等20利用交叉小波变换和小波相干法，揭示了金属材料激光烧伤与磨削烧伤声发射信号的相干关系。综上，声发射技术能够监测磨削过程中的相关状态，是极具潜力的磨削无损检测技术之一。本文开展了淬硬GCr15轴承钢平面精密磨削实验，分析磨削白层的微观组织、显微硬度及形成机理，揭示声发射信号频谱特征与磨削白层厚度的相互关联，为优化淬硬轴承钢磨削参数、提高磨削表面质量提供理论基础和技术支撑。1 实验方案 工件材料选用淬硬 GCr15 轴承钢，名义相变温度 TAC1为 745，表面平均硬度为 62 HRC，工件尺寸为 10 mm10 mm12 mm(长宽高)。磨削实验在精密数控平面磨床 MGK71206 上进行，选用树脂结合剂 CBN 砂轮，目数 160#，磨削实验装置如图 1 所示(工件位于声发射信号传感器内侧)。采用瑞士公司的 Kister-9257B 测力仪测量磨削力；采用可磨式 K 型