磨削淬硬技术的工艺性能

HEATS

-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。
  
    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。
  
    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。 
 
    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。 
 
    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。
  
    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。 
 
    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24?m ；而30分钟后磨削淬硬钢盘表面的磨损量仍很小，仅有4.5?m ，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。