磨削淬硬-磨削加工與表面淬火集成制造技術(shù)

1 引言

許多鋼質(zhì)零件需進行表面淬火處理以改善零件材料性能，提高零件的耐磨性及疲勞強度。與完全淬硬熱處理相比啰扛，表面淬硬處理的優(yōu)點是零件的整體韌性好氓鄙。然而馆揉，不管采用何種熱處理工藝都需要對零件進行運輸、儲存玖详、清洗等操作把介，不可能將其集成到產(chǎn)品的機械加工生產(chǎn)線上勤讽，因此蟋座，將使產(chǎn)品生產(chǎn)周期加長，成本提高脚牍。磨削加工是一種常見的金屬加工方式向臀，被廣泛應(yīng)用于機械加工領(lǐng)域，通過磨削加工可得到滿意的尺寸精度碗品、形狀精度和表面質(zhì)量隆文。但磨削加工中磨削熱的擴散及控制，一直是該領(lǐng)域的重要研究課題芽嗓，若工藝條件不當韧践，磨削熱將影響已加工工件的表面質(zhì)量，特別是加工淬硬鋼時班卖，還可能引起加工表面的熱損傷随象。1994年，德國的Brinksmeier.E和Brockhoff.T首次提出了關(guān)于在磨削加工中利用磨削熱對鋼件表面進行淬火處理的新工藝呆纤，并于1996年聪蔬、1999年進一步闡述了這一新工藝在工業(yè)中應(yīng)用的可行性及相關(guān)試驗研究結(jié)果。2000年屯片，澳大利亞的Zhang.L和 Zarudi.I申請了關(guān)于磨削加工和表面淬火集成工藝的專利无价。可見床重，在材料去除加工的同時對工件表面進行淬硬處理的方法具有潛在的發(fā)展前景琳柱。

在大多數(shù)情況下，磨削加工產(chǎn)生的熱量被認為是一個消極因素拙徽，應(yīng)采用冷卻劑及選擇合適的磨削條件抑制其不良影響刨沦。目前的熱處理和磨削工藝存在兩個主要缺點：① 目前雖有多種表面淬硬熱處理工藝，但都很難集成到產(chǎn)品生產(chǎn)線上斋攀；② 零件在表面熱處理后需進行磨削加工已卷，而磨削熱和機械作用可能對已淬硬材料造成損傷。這兩個問題促使人們考慮如何利用磨削加工中的熱量和機械作用直接對零件表面進行淬硬淳蔼，即磨削淬硬侧蘸。

由于磨削加工在工業(yè)中應(yīng)用廣泛，基于材料去除及切屑形成原理的磨削功率轉(zhuǎn)換為磨削熱能的機理已得到深入研究鹉梨。在一定的磨削條件下讳癌，磨削熱主要通過工件擴散穿稳，使工件表面產(chǎn)生高溫，這種熱載荷與磨粒和工件表面之間的機械載荷疊加晌坤，將使工件表面產(chǎn)生裂紋逢艘、回火等，這種現(xiàn)象在磨削加工領(lǐng)域已得到公認并被深入研究骤菠。在磨削加工中它改，當工件表層材料被磨削熱加熱到一定溫度時將會產(chǎn)生相變。已提出的許多磨削熱分析模型能夠計算進入工件的熱量比率及產(chǎn)生的溫升刃傻，并對理論模型進行了相應(yīng)的工藝驗證引苇。以往進行熱分析研究的主要目的是得出磨削加工淬硬鋼時工件溫升及材料相變情況，盡量避免發(fā)生磨削熱導(dǎo)致的熱損傷現(xiàn)象鸣谒。雖然過去也曾出現(xiàn)過磨削淬硬概念牌鹊，但那是磨削加工過程中派生的無目的的材料表面硬化現(xiàn)象。近年來沟奸，許多基礎(chǔ)性研究則是企圖主動有效地控制磨削工藝條件己倾，利用磨削熱對工件表面進行熱處理，以改善工件表層材料性能扶取。Brinksmeier.E 和Brockhoff.T針對磨削加工退火的過共析鋼和亞共析鋼的早期研究工作證明蔫迅，利用磨削熱可以得到馬氏體硬化層，硬化層深度達0.25μm力鹰。從此翻框，為使磨削淬硬工藝投入工業(yè)應(yīng)用，人們進行了許多理論和試驗研究腺首，本文主要概述目前的部分研究結(jié)果信粮。

2 基本理論

為得到滿意的磨削淬硬結(jié)果，需在磨削加工時產(chǎn)生大量磨削熱及獲得最佳熱量擴散分配比趁啸，因此磨削淬硬工藝不宜使用冷卻潤滑液强缘。但當工件體積太小，不足以滿足自身淬火功能要求時不傅，可使用冷卻液幫助實現(xiàn)工件淬火旅掂。另外，冷卻液可用于冷卻砂輪和清洗磨削淬硬后的加工面访娶。磨削淬硬工藝適用于各種廓形的磨削加工商虐，為便于分析，以平面磨削淬硬工藝為例進行闡述崖疤。為評價磨削淬硬的效果秘车，需測量磨削淬硬后試件橫截面硬度層深度，并根據(jù)測量的切向力F_t計算單位切削功率P_c及進入工件的單位能量e_c，

P_c=(F_tV_c)/(a_pl_g)	(1)
e_c=RP_ct_c	(2)

式中：V_c——切削速度

l_g——接觸長度

a_p——砂輪寬度

R——熱量分配比

t_c——接觸時間

3 磨削淬硬技術(shù)的工藝性能

切削深度
在平面磨削中叮趴，如進給速度不變割笙，則材料去除率和切屑等效厚度與切削深度a_e成正比，增加切深通常會使切削力增大丰躺。用剛玉砂輪磨削40CrMnMo鋼(切削速度：V_c=35m/s勉惋，進給速度V_ft=0.5m/min ，無切削液)的試驗及理論計算結(jié)果表明肄琉，隨著切削深度的增加丧爸，切向力增大，但單位切削功率卻減小拾哈。顯然乞芳，接觸長度增加的影響超過了切削力增大的影響，因此單位切削功率不適合于描述磨削加工工件表面的淬硬結(jié)果染痊。在切深a_e=1mm時，進入工件的單位能量達到最大(e_c=150J /mm²庆葱，由于切削深度的增加使熱作用時間加長组救，雖然單位切削功率降低，但單位能量穩(wěn)定增加胚高，所以隨著切削深度的增加辰车，進入工件表面的能量也相應(yīng)增加。因此在切深a_e=1mm時抛虏，硬度層深度可達1.8mm博其。

X 射線分析表明，磨削淬硬零件的淬硬表層存在殘余壓應(yīng)力迂猴。磨削已淬硬鋼時慕淡，熱影響以及由此引起的相變(馬氏體轉(zhuǎn)化為珠光體)將引起殘余拉應(yīng)力。而磨削淬硬工藝中的相變(珠光體轉(zhuǎn)化為馬氏體)將產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力沸毁，砂輪的機械作用也會在工件表面形成殘余壓應(yīng)力峰髓。珠光體轉(zhuǎn)化為馬氏體是磨削淬硬過程中形成殘余應(yīng)力的主要機制。在淬硬層以下會檢測到殘余拉應(yīng)力息尺，通常磨削淬硬后的殘余應(yīng)力分布類似于表面感應(yīng)淬火后的殘余應(yīng)力分布携兵。
進給速度
增大進給速度V_ft通常會使磨削力增大，在磨削淬硬工藝中也是如此搂誉。為分析進給速度對磨削淬硬工藝的影響徐紧，用剛玉砂輪對40CrMnMo鋼進行了磨削試驗研究(切削速度：V_c=35m/min，切削深度a_e=0.1mm炭懊，無切削液)并级。由式(1)可知，在其它參數(shù)不變的條件下，切向磨削力的增大會使功率消耗增大书吗。在進給速度V_ft=5m/min 時栓属，單位切削功率P_c=160W/mm²。雖然磨削功率有所增加女践，但進入工件的單位能量計算結(jié)果卻顯示出完全相反的現(xiàn)象周矢。進給速度從V_ft=0.01m/min增加到V_ft=5.0m/min時，單位能量的計算結(jié)果由e_c=1150J/mm²驟減至25J/mm²盹斟。單位能量的降低是接觸時間減少引起的沟赏，進給速度提高，砂輪(等效于熱源)和工件表面固定點的接觸時間變小焰垄，因此進入工件表面的熱量也相應(yīng)減少提钟。當進給速度很低時，傳遞能量很高藐檀，但由于提供的切削功率較低锻转，使淬硬層的深度減小晨墓；當進給速度很高時稽羔，磨削功率增加，但由于接觸時間減少唐片，進入工件的能量降低丙猬，使淬硬層的深度也減小。試驗結(jié)果表明费韭，最大淬硬層深度出現(xiàn)于進給速度的中間階段茧球，當進給速度很高或很低時，都難以得到滿意的淬硬結(jié)果星持。
切削速度
當切削速度V_c增大時抢埋，可使切削力減小，這是因為在切深和進給速度不變的條件下钉汗，切削速度增大將使每粒切屑的厚度減小羹令。在這種情況下，單位切削功率和進入工件的單位能量都將降低损痰。但試驗結(jié)果表明福侈，切削速度對磨削淬硬工藝的影響相當復(fù)雜。提高切削速度卢未，可在一部分區(qū)域內(nèi)降低切削功率肪凛，而在其它范圍情況卻相反。由式(1)可知躏宗，當切削力保持不變時邦霸，增大切削速度將使單位切削功率提高。另一方面，切削力的增大或減小與切削速度和其它影響參數(shù)(如砂輪規(guī)格等)有關(guān)幕封。因此春陆，在切削速度與淬硬結(jié)果之間沒有普遍的對應(yīng)關(guān)系。
材料的影響
隨著溫度的變化铁磕，鋼材中a-怠写、g- 混合晶體呈現(xiàn)出對碳的不同溶解能力，據(jù)此即可對鋼的性能進行調(diào)節(jié)剖宪。淬硬機理是基于特定冷卻速率和奧氏體晶格向馬氏體晶格切變特性的馬氏體→奧氏體相變竟恩，熱處理效果主要取決于材料中碳和合金元素的含量及其預(yù)處理情況，在這方面磨削淬硬工藝與傳統(tǒng)熱處理工藝的影響因素相同雨晃。用剛玉砂輪對40CrMnMo和 GCr15鋼進行磨削試驗(切削速度V_c=35m/min伸坑，切削深度a_e=0.1mm，進給速度V_ft=0.5m/min 躺刷，材料去除率V_W=60mm³念脯，無切削液)，結(jié)果表明阅懦，經(jīng)回火處理的材料能得到比退火處理材料更大的淬硬層深度和二，其原因是回火材料碳化物分布較細。但退火材料也可以進行磨削淬硬耳胎。
砂輪的影響
砂輪規(guī)格對磨削加工中的熱擴散有重要影響。為使盡可能多的熱量流入工件惕它，可以選用剛玉砂輪怕午，因剛玉砂輪的熱傳導(dǎo)能力低于CBN砂輪。使用樹脂結(jié)合劑和陶瓷結(jié)合劑剛玉砂輪的磨削試驗(被加工材料為40crMnMo, V_c=35m/min淹魄，a_e=0.1mm郁惜，V_ft=0.5m/min，V_W=60mm³甲锡，無切削液)結(jié)果表明兆蕉，雖然陶瓷結(jié)合劑剛玉砂輪硬度很高，并具有低熱傳導(dǎo)能力和高耐熱特性缤沦，但陶瓷結(jié)合劑剛玉砂輪得到的淬硬層深度比樹脂結(jié)合劑剛玉砂輪小得多虎韵。進一步分析砂輪的特性可知，陶瓷結(jié)合劑砂輪不能承受高機械載荷赎冶，而且磨損迅速扣飘。盡管樹脂結(jié)合劑剛玉砂輪的耐熱性較差，但卻能得到最佳的淬硬效果幌舍。
工藝穩(wěn)定性
一種新工藝的應(yīng)用前提是應(yīng)保證其具有良好的工藝穩(wěn)定性和結(jié)果再現(xiàn)性杀蝌。為考察磨削淬硬工藝的結(jié)果再現(xiàn)性，研究人員在相同條件下對10個試件進行了磨削淬硬試驗，其結(jié)果再現(xiàn)性令人滿意咖播。為考察磨削淬硬工藝的工藝穩(wěn)定性驴嚣，德國的Pfeifer.T在工藝條件不變的前提下進行了50次磨削淬硬試驗，定義磨削淬硬層深度的下限為0.85mm铣佛，上限為1.2mm黔巨，計算得出的工藝穩(wěn)定性指數(shù)c_p=1.27, c_pk= 1.03，由于兩個指數(shù)均大于1侮增，表明磨削淬硬工藝是可行的和可控制的年铝。磨削淬硬工藝結(jié)果按高斯分布且在公差之內(nèi)，說明磨削淬硬工藝具有滿意的工藝穩(wěn)定性月腋。但對砂輪規(guī)格等影響因素尚需做進一步的研究蟀架。
磨削淬硬表面的耐磨性
從淬硬表面的硬度和殘余應(yīng)力分布來看，磨削淬硬加工完全能滿足工藝要求榆骚，但還應(yīng)對磨削淬硬零件的使用性能進行評價片拍。為此，對磨削淬硬零件進行了摩擦學(xué)試驗以確定其耐磨性妓肢。試驗采用剛玉球與圓盤對磨捌省，試驗中不加任何潤滑劑，觀察磨削淬硬鋼盤相對非淬硬鋼盤的耐磨性改善情況碉钠。試驗表明纲缓，非淬硬鋼盤表面的快速磨損明顯，加載后僅30分鐘磨損量已達24μm 喊废；而30分鐘后磨削淬硬鋼盤表面的磨損量仍很小祝高，僅有4.5μm ，可見磨削淬硬工藝使零件表面的耐磨性顯著提高污筷。因此工闺，磨削淬硬將是感應(yīng)淬火、火焰淬火和激光淬火較理想的替代工藝瓣蛀。

圖1 典型零件的磨削淬硬工藝流程

4 磨削淬硬對產(chǎn)品工藝流程的影響

磨削淬硬技術(shù)不僅使表面熱處理工藝集成到生產(chǎn)線成為可能尾烛，而且能方便地將其集成到機械加工過程中，這將減少生產(chǎn)工序踢周，縮短加工周期萤考，降低產(chǎn)品成本。因此驻奇，磨削淬硬不僅在技術(shù)上能替代感應(yīng)淬火或激光淬火镐刽，而且在經(jīng)濟上也能替代傳統(tǒng)的表面強化工藝。圖1是一些典型零件如主軸峰抽、導(dǎo)軌等采用磨削淬硬工藝對生產(chǎn)周期的影響汪阱。

為引入磨削淬硬技術(shù)搭艺，在選擇零件及生產(chǎn)工序時，要先進行技術(shù)評價和經(jīng)濟性評估瘟甩。通過對液壓馬達配送盤及電機電樞軸兩種零件的評估表明, 采用磨削淬硬技術(shù)可節(jié)省費用10%～50%啤兆。

5 結(jié)論

磨削淬硬技術(shù)的特點是：①磨削淬硬分兩個階段：首先經(jīng)過粗磨產(chǎn)生并利用磨削熱淬火，然后再精磨以達到所需的尺寸和形狀精度询崇；②磨削淬硬是短時間內(nèi)奧氏體化的工件表層經(jīng)自淬火向馬氏體相變的現(xiàn)象桶棍；③冷卻潤滑劑會影響熱量的產(chǎn)生，因此磨削淬硬時可采用干式磨削性宏；④磨削淬硬使零件表面淬硬層存在殘余壓應(yīng)力群井，表面無裂紋。

目前的研究表明毫胜，低材料去除率的磨削淬硬技術(shù)的工藝穩(wěn)定性在工業(yè)上是完全可以接受的书斜。摩擦學(xué)試驗證明，磨削淬硬能極大地改善零件表面耐磨性酵使〖黾總之，磨削淬硬在技術(shù)上能替代感應(yīng)淬火和激光淬火口渔。由于磨削淬硬技術(shù)能增加產(chǎn)品生產(chǎn)的集成水平样屠，縮短生產(chǎn)周期，減少熱處理設(shè)備的排放物缺脉；在加工過程中不采用磨削液痪欲，可減少廢液排放對環(huán)境的影響，因此其經(jīng)濟效益和社會效益均非常顯著攻礼。磨削淬硬技術(shù)的另一個優(yōu)點是引入簡便勤揩，不需太大投資，只要經(jīng)過試驗確定最佳工藝參數(shù)糠牍，在任何普通磨床上均可實現(xiàn)。

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