摘要：磨削淬硬是利用磨削熱對(duì)工件表面進(jìn)行淬火處理的新技術(shù)，該技術(shù)在一定范圍內(nèi)可替代表面感應(yīng)淬火、火焰淬火等表面熱處理工藝，便于將表面淬火工藝與機(jī)械加工工藝集成化，有助于降低產(chǎn)品成本，縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期。
1 引言
許多鋼質(zhì)零件需進(jìn)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(qiáng)度。與完全淬硬熱處理相比，表面淬硬處理的優(yōu)點(diǎn)是零件的整體韌性好。然而，不管采用何種熱處理工藝都需要對(duì)零件進(jìn)行運(yùn)輸、儲(chǔ)存、清洗等操作，不可能將其集成到產(chǎn)品的機(jī)械加工生產(chǎn)線上，因此，將使產(chǎn)品生產(chǎn)周期加長(zhǎng)，成本提高。磨削加工是一種常見的金屬加工方式，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械加工領(lǐng)域，通過磨削加工可得到滿意的尺寸精度、形狀精度和表面質(zhì)量。但磨削加工中磨削熱的擴(kuò)散及控制，一直是該領(lǐng)域的重要研究課題，若工藝條件不當(dāng)，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(shí)，還可能引起加工表面的熱損傷。1994年，德國(guó)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(duì)鋼件表面進(jìn)行淬火處理的新工藝，并于1996年、1999年進(jìn)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(yàn)研究結(jié)果。2000年，澳大利亞的Zhang.L和Zarudi.I申請(qǐng)了關(guān)于磨削加工和表面淬火集成工藝的專利�？梢姡诓牧先コ庸さ耐瑫r(shí)對(duì)工件表面進(jìn)行淬硬處理的方法具有潛在的發(fā)展前景。
在大多數(shù)情況下，磨削加工產(chǎn)生的熱量被認(rèn)為是一個(gè)消極因素，應(yīng)采用冷卻劑及選擇合適的磨削條件抑制其不良影響。目前的熱處理和磨削工藝存在兩個(gè)主要缺點(diǎn)：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；② 零件在表面熱處理后需進(jìn)行磨削加工，而磨削熱和機(jī)械作用可能對(duì)已淬硬材料造成損傷。這兩個(gè)問題促使人們考慮如何利用磨削加工中的熱量和機(jī)械作用直接對(duì)零件表面進(jìn)行淬硬，即磨削淬硬。
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(jī)理已得到深入研究。在一定的磨削條件下，磨削熱主要通過工件擴(kuò)散，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(jī)械載荷疊加，將使工件表面產(chǎn)生裂紋、回火等，這種現(xiàn)象在磨削加工領(lǐng)域已得到公認(rèn)并被深入研究。在磨削加工中，當(dāng)工件表層材料被磨削熱加熱到一定溫度時(shí)將會(huì)產(chǎn)生相變。已提出的許多磨削熱分析模型能夠計(jì)算進(jìn)入工件的熱量比率及產(chǎn)生的溫升，并對(duì)理論模型進(jìn)行了相應(yīng)的工藝驗(yàn)證。以往進(jìn)行熱分析研究的主要目的是得出磨削加工淬硬鋼時(shí)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。雖然過去也曾出現(xiàn)過磨削淬硬概念，但那是磨削加工過程中派生的無(wú)目的的材料表面硬化現(xiàn)象。近年來(lái)，許多基礎(chǔ)性研究則是企圖主動(dòng)有效地控制磨削工藝條件，利用磨削熱對(duì)工件表面進(jìn)行熱處理，以改善工件表層材料性能。Brinksmeier.E 和Brockhoff.T針對(duì)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，利用磨削熱可以得到馬氏體硬化層，硬化層深度達(dá)0.25µm。從此，為使磨削淬硬工藝投入工業(yè)應(yīng)用，人們進(jìn)行了許多理論和試驗(yàn)研究，本文主要概述目前的部分研究結(jié)果。
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(shí)產(chǎn)生大量磨削熱及獲得最佳熱量擴(kuò)散分配比，因此磨削淬硬工藝不宜使用冷卻潤(rùn)滑液。但當(dāng)工件體積太小，不足以滿足自身淬火功能要求時(shí)，可使用冷卻液幫助實(shí)現(xiàn)工件淬火。另外，冷卻液可用于冷卻砂輪和清洗磨削淬硬后的加工面。磨削淬硬工藝適用于各種廓形的磨削加工，為便于分析，以平面磨削淬硬工藝為例進(jìn)行闡述。為評(píng)價(jià)磨削淬硬的效果，需測(cè)量磨削淬硬后試件橫截面硬度層深度，并根據(jù)測(cè)量的切向力Ft計(jì)算單位切削功率Pc及進(jìn)入工件的單位能量ec，
| Pc=(FtVc)/(aplg) |
(1) |
| ec=RPctc |
(2) |
式中：Vc——切削速度
lg——接觸長(zhǎng)度
ap——砂輪寬度
R——熱量分配比
tc——接觸時(shí)間
3 磨削淬硬技術(shù)的工藝性能
1) 切削深度
在平面磨削中，如進(jìn)給速度不變，則材料去除率和切屑等效厚度與切削深度ae成正比，增加切深通常會(huì)使切削力增大。用剛玉砂輪磨削40CrMnMo鋼(切削速度：Vc=35m/s，進(jìn)給速度Vft=0.5m/min ，無(wú)切削液)的試驗(yàn)及理論計(jì)算結(jié)果表明，隨著切削深度的增加，切向力增大，但單位切削功率卻減小。顯然，接觸長(zhǎng)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。在切深ae=1mm時(shí)，進(jìn)入工件的單位能量達(dá)到最大(ec=150J /mm2，由于切削深度的增加使熱作用時(shí)間加長(zhǎng)，雖然單位切削功率降低，但單位能量穩(wěn)定增加，所以隨著切削深度的增加，進(jìn)入工件表面的能量也相應(yīng)增加。因此在切深ae=1mm時(shí)，硬度層深度可達(dá)1.8mm。
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。磨削已淬硬鋼時(shí)，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，砂輪的機(jī)械作用也會(huì)在工件表面形成殘余壓應(yīng)力。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(jī)制。在淬硬層以下會(huì)檢測(cè)到殘余拉應(yīng)力，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。
2) 進(jìn)給速度
增大進(jìn)給速度Vft通常會(huì)使磨削力增大，在磨削淬硬工藝中也是如此。為分析進(jìn)給速度對(duì)磨削淬硬工藝的影響，用剛玉砂輪對(duì)40CrMnMo鋼進(jìn)行了磨削試驗(yàn)研究(切削速度：Vc=35m/min，切削深度ae=0.1mm，無(wú)切削液)。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(huì)使功率消耗增大。在進(jìn)給速度Vft=5m/min 時(shí)，單位切削功率Pc=160W/mm2。雖然磨削功率有所增加，但進(jìn)入工件的單位能量計(jì)算結(jié)果卻顯示出完全相反的現(xiàn)象。進(jìn)給速度從Vft=0.01m/min增加到Vft=5.0m/min時(shí)，單位能量的計(jì)算結(jié)果由ec=1150J/mm2驟減至25J/mm2。單位能量的降低是接觸時(shí)間減少引起的，進(jìn)給速度提高，砂輪(等效于熱源)和工件表面固定點(diǎn)的接觸時(shí)間變小，因此進(jìn)入工件表面的熱量也相應(yīng)減少。當(dāng)進(jìn)給速度很低時(shí)，傳遞能量很高，但由于提供的切削功率較低，使淬硬層的深度減�。划�(dāng)進(jìn)給速度很高時(shí)，磨削功率增加，但由于接觸時(shí)間減少，進(jìn)入工件的能量降低，使淬硬層的深度也減小。試驗(yàn)結(jié)果表明，最大淬硬層深度出現(xiàn)于進(jìn)給速度的中間階段，當(dāng)進(jìn)給速度很高或很低時(shí)，都難以得到滿意的淬硬結(jié)果。
3) 切削速度
當(dāng)切削速度Vc增大時(shí)，可使切削力減小，這是因?yàn)樵谇猩詈瓦M(jìn)給速度不變的條件下，切削速度增大將使每粒切屑的厚度減小。在這種情況下，單位切削功率和進(jìn)入工件的單位能量都將降低。但試驗(yàn)結(jié)果表明，切削速度對(duì)磨削淬硬工藝的影響相當(dāng)復(fù)雜。提高切削速度，可在一部分區(qū)域內(nèi)降低切削功率，而在其它范圍情況卻相反。由式(1)可知，當(dāng)切削力保持不變時(shí)，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)。因此，在切削速度與淬硬結(jié)果之間沒有普遍的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
4) 材料的影響
隨著溫度的變化，鋼材中a-、g-混合晶體呈現(xiàn)出對(duì)碳的不同溶解能力，據(jù)此即可對(duì)鋼的性能進(jìn)行調(diào)節(jié)。淬硬機(jī)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，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。用剛玉砂輪對(duì)40CrMnMo和GCr15鋼進(jìn)行磨削試驗(yàn)(切削速度Vc=35m/min，切削深度ae=0.1mm，進(jìn)給速度Vft=0.5m/min ，材料去除率VW=60mm3，無(wú)切削液)，結(jié)果表明，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，其原因是回火材料碳化物分布較細(xì)。但退火材料也可以進(jìn)行磨削淬硬。
5) 砂輪的影響
砂輪規(guī)格對(duì)磨削加工中的熱擴(kuò)散有重要影響。為使盡可能多的熱量流入工件，可以選用剛玉砂輪，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(yàn)(被加工材料為40crMnMo, Vc=35m/min，ae=0.1mm，Vft=0.5m/min，VW=60mm3，無(wú)切削液)結(jié)果表明，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，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。進(jìn)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(jī)械載荷，而且磨損迅速。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。
6) 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。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(duì)10個(gè)試件進(jìn)行了磨削淬硬試驗(yàn)，其結(jié)果再現(xiàn)性令人滿意。為考察磨削淬硬工藝的工藝穩(wěn)定性，德國(guó)的Pfeifer.T在工藝條件不變的前提下進(jìn)行了50次磨削淬硬試驗(yàn)，定義磨削淬硬層深度的下限為0.85mm，上限為1.2mm，計(jì)算得出的工藝穩(wěn)定性指數(shù)cp=1.27, cpk= 1.03，由于兩個(gè)指數(shù)均大于1，表明磨削淬硬工藝是可行的和可控制的。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。但對(duì)砂輪規(guī)格等影響因素尚需做進(jìn)一步的研究。
7) 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(lái)看，磨削淬硬加工完全能滿足工藝要求，但還應(yīng)對(duì)磨削淬硬零件的使用性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。為此，對(duì)磨削淬硬零件進(jìn)行了摩擦學(xué)試驗(yàn)以確定其耐磨性。試驗(yàn)采用剛玉球與圓盤對(duì)磨，試驗(yàn)中不加任何潤(rùn)滑劑，觀察磨削淬硬鋼盤相對(duì)非淬硬鋼盤的耐磨性改善情況。試驗(yàn)表明，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(dá)24µm ；而30分鐘后磨削淬硬鋼盤表面的磨損量仍很小，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。因此，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。
4 磨削淬硬對(duì)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，而且能方便地將其集成到機(jī)械加工過程中，這將減少生產(chǎn)工序，縮短加工周期，降低產(chǎn)品成本。因此，磨削淬硬不僅在技術(shù)上能替代感應(yīng)淬火或激光淬火，而且在經(jīng)濟(jì)上也能替代傳統(tǒng)的表面強(qiáng)化工藝。圖1是一些典型零件如主軸、導(dǎo)軌等采用磨削淬硬工藝對(duì)生產(chǎn)周期的影響。
圖1 典型零件的磨削淬硬工藝流程
為引入磨削淬硬技術(shù)，在選擇零件及生產(chǎn)工序時(shí)，要先進(jìn)行技術(shù)評(píng)價(jià)和經(jīng)濟(jì)性評(píng)估。通過對(duì)液壓馬達(dá)配送盤及電機(jī)電樞軸兩種零件的評(píng)估表明, 采用磨削淬硬技術(shù)可節(jié)省費(fèi)用10%～50%。
5 結(jié)論
磨削淬硬技術(shù)的特點(diǎn)是：①磨削淬硬分兩個(gè)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(dá)到所需的尺寸和形狀精度；②磨削淬硬是短時(shí)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；③冷卻潤(rùn)滑劑會(huì)影響熱量的產(chǎn)生，因此磨削淬硬時(shí)可采用干式磨削；④磨削淬硬使零件表面淬硬層存在殘余壓應(yīng)力，表面無(wú)裂紋。
目前的研究表明，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。摩擦學(xué)試驗(yàn)證明，磨削淬硬能極大地改善零件表面耐磨性�？傊�，磨削淬硬在技術(shù)上能替代感應(yīng)淬火和激光淬火。由于磨削淬硬技術(shù)能增加產(chǎn)品生產(chǎn)的集成水平，縮短生產(chǎn)周期，減少熱處理設(shè)備的排放物；在加工過程中不采用磨削液，可減少?gòu)U液排放對(duì)環(huán)境的影響，因此其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益均非常顯著。磨削淬硬技術(shù)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是引入簡(jiǎn)便，不需太大投資，只要經(jīng)過試驗(yàn)確定最佳工藝參數(shù)，在任何普通磨床上均可實(shí)現(xiàn)。
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