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磨削淬硬--磨削加工与表面淬火集成制造技术 |
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作者：葛培琪 孙建国 刘镇昌 |
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摘要：磨削淬硬是利用磨削热对工件表面进行淬火处理的新技术，该技术在一定范围内可替代表面感应淬火、火焰淬火等表面热处理工艺，便于将表面淬火工艺与机械加工工艺集成化，有助于降低产品成本，缩短产品生产周期。
1 引言
许多钢质零件需进行表面淬火处理以改善零件材料性能，提高零件的耐磨性及疲劳强度。与完全淬硬热处理相比，表面淬硬处理的优点是零件的整体韧性好。然而，不管采用何种热处理工艺都需要对零件进行运输、储存、清洗等操作，不可能将其集成到产品的机械加工生产线上，因此，将使产品生产周期加长，成本提高。磨削加工是一种常见的金属加工方式，被广泛应用于机械加工领域，通过磨削加工可得到满意的尺寸精度、形状精度和表面质量。但磨削加工中磨削热的扩散及控制，一直是该领域的重要研究课题，若工艺条件不当，磨削热将影响已加工工件的表面质量，特别是加工淬硬钢时，还可能引起加工表面的热损伤。1994年，德国的Brinksmeier.E和Brockhoff.T首次提出了关于在磨削加工中利用磨削热对钢件表面进行淬火处理的新工艺，并于1996年、1999年进一步阐述了这一新工艺在工业中应用的可行性及相关试验研究结果。2000年，澳大利亚的Zhang.L和Zarudi.I申请了关于磨削加工和表面淬火集成工艺的专利。可见，在材料去除加工的同时对工件表面进行淬硬处理的方法具有潜在的发展前景。
在大多数情况下，磨削加工产生的热量被认为是一个消极因素，应采用冷却剂及选择合适的磨削条件抑制其不良影响。目前的热处理和磨削工艺存在两个主要缺点：① 目前虽有多种表面淬硬热处理工艺，但都很难集成到产品生产线上；② 零件在表面热处理后需进行磨削加工，而磨削热和机械作用可能对已淬硬材料造成损伤。这两个问题促使人们考虑如何利用磨削加工中的热量和机械作用直接对零件表面进行淬硬，即磨削淬硬。
由于磨削加工在工业中应用广泛，基于材料去除及切屑形成原理的磨削功率转换为磨削热能的机理已得到深入研究。在一定的磨削条件下，磨削热主要通过工件扩散，使工件表面产生高温，这种热载荷与磨粒和工件表面之间的机械载荷叠加，将使工件表面产生裂纹、回火等，这种现象在磨削加工领域已得到公认并被深入研究。在磨削加工中，当工件表层材料被磨削热加热到一定温度时将会产生相变。已提出的许多磨削热分析模型能够计算进入工件的热量比率及产生的温升，并对理论模型进行了相应的工艺验证。以往进行热分析研究的主要目的是得出磨削加工淬硬钢时工件温升及材料相变情况，尽量避免发生磨削热导致的热损伤现象。虽然过去也曾出现过磨削淬硬概念，但那是磨削加工过程中派生的无目的的材料表面硬化现象。近年来，许多基础性研究则是企图主动有效地控制磨削工艺条件，利用磨削热对工件表面进行热处理，以改善工件表层材料性能。Brinksmeier.E 和Brockhoff.T针对磨削加工退火的过共析钢和亚共析钢的早期研究工作证明，利用磨削热可以得到马氏体硬化层，硬化层深度达0.25µm。从此，为使磨削淬硬工艺投入工业应用，人们进行了许多理论和试验研究，本文主要概述目前的部分研究结果。
2 基本理论
为得到满意的磨削淬硬结果，需在磨削加工时产生大量磨削热及获得最佳热量扩散分配比，因此磨削淬硬工艺不宜使用冷却润滑液。但当工件体积太小，不足以满足自身淬火功能要求时，可使用冷却液帮助实现工件淬火。另外，冷却液可用于冷却砂轮和清洗磨削淬硬后的加工面。磨削淬硬工艺适用于各种廓形的磨削加工，为便于分析，以平面磨削淬硬工艺为例进行阐述。为评价磨削淬硬的效果，需测量磨削淬硬后试件横截面硬度层深度，并根据测量的切向力Ft计算单位切削功率Pc及进入工件的单位能量ec，
| Pc=(FtVc)/(aplg) | (1) | | ec=RPctc | (2) |
式中：Vc——切削速度
lg——接触长度
ap——砂轮宽度
R——热量分配比
tc——接触时间
3 磨削淬硬技术的工艺性能
1) 切削深度
在平面磨削中，如进给速度不变，则材料去除率和切屑等效厚度与切削深度ae成正比，增加切深通常会使切削力增大。用刚玉砂轮磨削40CrMnMo钢(切削速度：Vc=35m/s，进给速度Vft=0.5m/min ，无切削液)的试验及理论计算结果表明，随着切削深度的增加，切向力增大，但单位切削功率却减小。显然，接触长度增加的影响超过了切削力增大的影响，因此单位切削功率不适合于描述磨削加工工件表面的淬硬结果。在切深ae=1mm时，进入工件的单位能量达到最大(ec=150J /mm2，由于切削深度的增加使热作用时间加长，虽然单位切削功率降低，但单位能量稳定增加，所以随着切削深度的增加，进入工件表面的能量也相应增加。因此在切深ae=1mm时，硬度层深度可达1.8mm。
X射线分析表明，磨削淬硬零件的淬硬表层存在残余压应力。磨削已淬硬钢时，热影响以及由此引起的相变(马氏体转化为珠光体)将引起残余拉应力。而磨削淬硬工艺中的相变(珠光体转化为马氏体)将产生残余压应力，砂轮的机械作用也会在工件表面形成残余压应力。珠光体转化为马氏体是磨削淬硬过程中形成残余应力的主要机制。在淬硬层以下会检测到残余拉应力，通常磨削淬硬后的残余应力分布类似于表面感应淬火后的残余应力分布。
2) 进给速度
增大进给速度Vft通常会使磨削力增大，在磨削淬硬工艺中也是如此。为分析进给速度对磨削淬硬工艺的影响，用刚玉砂轮对40CrMnMo钢进行了磨削试验研究(切削速度：Vc=35m/min，切削深度ae=0.1mm，无切削液)。由式(1)可知，在其它参数不变的条件下，切向磨削力的增大会使功率消耗增大。在进给速度Vft=5m/min 时，单位切削功率Pc=160W/mm2。虽然磨削功率有所增加，但进入工件的单位能量计算结果却显示出完全相反的现象。进给速度从Vft=0.01m/min增加到Vft=5.0m/min时，单位能量的计算结果由ec=1150J/mm2骤减至25J/mm2。单位能量的降低是接触时间减少引起的，进给速度提高，砂轮(等效于热源)和工件表面固定点的接触时间变小，因此进入工件表面的热量也相应减少。当进给速度很低时，传递能量很高，但由于提供的切削功率较低，使淬硬层的深度减小；当进给速度很高时，磨削功率增加，但由于接触时间减少，进入工件的能量降低，使淬硬层的深度也减小。试验结果表明，最大淬硬层深度出现于进给速度的中间阶段，当进给速度很高或很低时，都难以得到满意的淬硬结果。
3) 切削速度
当切削速度Vc增大时，可使切削力减小，这是因为在切深和进给速度不变的条件下，切削速度增大将使每粒切屑的厚度减小。在这种情况下，单位切削功率和进入工件的单位能量都将降低。但试验结果表明，切削速度对磨削淬硬工艺的影响相当复杂。提高切削速度，可在一部分区域内降低切削功率，而在其它范围情况却相反。由式(1)可知，当切削力保持不变时，增大切削速度将使单位切削功率提高。另一方面，切削力的增大或减小与切削速度和其它影响参数(如砂轮规格等)有关。因此，在切削速度与淬硬结果之间没有普遍的对应关系。
4) 材料的影响
随着温度的变化，钢材中a-、g-混合晶体呈现出对碳的不同溶解能力，据此即可对钢的性能进行调节。淬硬机理是基于特定冷却速率和奥氏体晶格向马氏体晶格切变特性的马氏体→奥氏体相变，热处理效果主要取决于材料中碳和合金元素的含量及其预处理情况，在这方面磨削淬硬工艺与传统热处理工艺的影响因素相同。用刚玉砂轮对40CrMnMo和GCr15钢进行磨削试验(切削速度Vc=35m/min，切削深度ae=0.1mm，进给速度Vft=0.5m/min ，材料去除率VW=60mm3，无切削液)，结果表明，经回火处理的材料能得到比退火处理材料更大的淬硬层深度，其原因是回火材料碳化物分布较细。但退火材料也可以进行磨削淬硬。
5) 砂轮的影响
砂轮规格对磨削加工中的热扩散有重要影响。为使尽可能多的热量流入工件，可以选用刚玉砂轮，因刚玉砂轮的热传导能力低于CBN砂轮。使用树脂结合剂和陶瓷结合剂刚玉砂轮的磨削试验(被加工材料为40crMnMo, Vc=35m/min，ae=0.1mm，Vft=0.5m/min，VW=60mm3，无切削液)结果表明，虽然陶瓷结合剂刚玉砂轮硬度很高，并具有低热传导能力和高耐热特性，但陶瓷结合剂刚玉砂轮得到的淬硬层深度比树脂结合剂刚玉砂轮小得多。进一步分析砂轮的特性可知，陶瓷结合剂砂轮不能承受高机械载荷，而且磨损迅速。尽管树脂结合剂刚玉砂轮的耐热性较差，但却能得到最佳的淬硬效果。
6) 工艺稳定性
一种新工艺的应用前提是应保证其具有良好的工艺稳定性和结果再现性。为考察磨削淬硬工艺的结果再现性，研究人员在相同条件下对10个试件进行了磨削淬硬试验，其结果再现性令人满意。为考察磨削淬硬工艺的工艺稳定性，德国的Pfeifer.T在工艺条件不变的前提下进行了50次磨削淬硬试验，定义磨削淬硬层深度的下限为0.85mm，上限为1.2mm，计算得出的工艺稳定性指数cp=1.27, cpk= 1.03，由于两个指数均大于1，表明磨削淬硬工艺是可行的和可控制的。磨削淬硬工艺结果按高斯分布且在公差之内，说明磨削淬硬工艺具有满意的工艺稳定性。但对砂轮规格等影响因素尚需做进一步的研究。
7) 磨削淬硬表面的耐磨性
从淬硬表面的硬度和残余应力分布来看，磨削淬硬加工完全能满足工艺要求，但还应对磨削淬硬零件的使用性能进行评价。为此，对磨削淬硬零件进行了摩擦学试验以确定其耐磨性。试验采用刚玉球与圆盘对磨，试验中不加任何润滑剂，观察磨削淬硬钢盘相对非淬硬钢盘的耐磨性改善情况。试验表明，非淬硬钢盘表面的快速磨损明显，加载后仅30分钟磨损量已达24µm ；而30分钟后磨削淬硬钢盘表面的磨损量仍很小，仅有4.5µm ，可见磨削淬硬工艺使零件表面的耐磨性显著提高。因此，磨削淬硬将是感应淬火、火焰淬火和激光淬火较理想的替代工艺。
4 磨削淬硬对产品工艺流程的影响
磨削淬硬技术不仅使表面热处理工艺集成到生产线成为可能，而且能方便地将其集成到机械加工过程中，这将减少生产工序，缩短加工周期，降低产品成本。因此，磨削淬硬不仅在技术上能替代感应淬火或激光淬火，而且在经济上也能替代传统的表面强化工艺。图1是一些典型零件如主轴、导轨等采用磨削淬硬工艺对生产周期的影响。
图1 典型零件的磨削淬硬工艺流程
为引入磨削淬硬技术，在选择零件及生产工序时，要先进行技术评价和经济性评估。通过对液压马达配送盘及电机电枢轴两种零件的评估表明, 采用磨削淬硬技术可节省费用10%～50%。
5 结论
磨削淬硬技术的特点是：①磨削淬硬分两个阶段：首先经过粗磨产生并利用磨削热淬火，然后再精磨以达到所需的尺寸和形状精度；②磨削淬硬是短时间内奥氏体化的工件表层经自淬火向马氏体相变的现象；③冷却润滑剂会影响热量的产生，因此磨削淬硬时可采用干式磨削；④磨削淬硬使零件表面淬硬层存在残余压应力，表面无裂纹。
目前的研究表明，低材料去除率的磨削淬硬技术的工艺稳定性在工业上是完全可以接受的。摩擦学试验证明，磨削淬硬能极大地改善零件表面耐磨性。总之，磨削淬硬在技术上能替代感应淬火和激光淬火。由于磨削淬硬技术能增加产品生产的集成水平，缩短生产周期，减少热处理设备的排放物；在加工过程中不采用磨削液，可减少废液排放对环境的影响，因此其经济效益和社会效益均非常显著。磨削淬硬技术的另一个优点是引入简便，不需太大投资，只要经过试验确定最佳工艺参数，在任何普通磨床上均可实现。
山东工业大学 葛培琪 孙建国 刘镇昌(end)
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(3/8/2007) |
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