2 基本理論

3 磨削淬硬技術(shù)的工藝性能

1. 切削深度


2. 進(jìn)給速度


3. 切削速度


4. 材料的影響


5. 砂輪的影響


6. 工藝穩(wěn)定性


7. 磨削淬硬表面的耐磨性


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a_e成正比，增加切深通常會使切削力增大。用剛玉砂輪磨削40CrMnMo鋼(切削速度：V_c=35m/s，進(jìn)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，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a_e=1mm時，進(jìn)入工件的單位能量達(dá)到最大(e_c=150J /mm²，由于切削深度的增加使熱作用時間加長，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a_e=1mm時，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，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，砂輪的機械作用也會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)力的主要機制。在淬硬層以下會檢測到殘余拉應(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。
增大進(jìn)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。為分析進(jìn)給速度對磨削淬硬工藝的影響，用剛玉砂輪對40CrMnMo鋼進(jìn)行了磨削試驗研究(切削速度：V_c=35m/min，切削深度a_e=0.1mm，無切削液)。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使功率消耗增大。在進(jìn)給速度V_ft=5m/min 時，單位切削功率P_c=160W/mm²。雖然磨削功率有所增加，但進(jìn)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。進(jìn)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。單位能量的降低是接觸時間減少引起的，進(jìn)給速度提高，砂輪(等效于熱源)和工件表面固定點的接觸時間變小，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，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��；當(dāng)進(jìn)給速度很高時，磨削功率增加，但由于接觸時間減少，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，都難以得到滿意的淬硬結(jié)果。
當(dāng)切削速度V_c增大時，可使切削力減小，這是因為在切深和進(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。但試驗結(jié)果表明，切削速度對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，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應(yīng)關(guān)系。
隨著溫度的變化，鋼材中a-、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(jìn)行調(diào)節(jié)。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，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40CrMnMo和GCr15鋼進(jìn)行磨削試驗(切削速度V_c=35m/min，切削深度a_e=0.1mm，進(jìn)給速度V_ft=0.5m/min ，材料去除率V_W=60mm³，無切削液)，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。
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，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(被加工材料為40crMnMo, V_c=35m/min，a_e=0.1mm，V_ft=0.5m/min，V_W=60mm³，無切削液)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。
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10個試件進(jìn)行了磨削淬硬試驗，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，定義磨削淬硬層深度的下限為0.85mm，上限為1.2mm，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，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。但對砂輪規(guī)格等影響因素尚需做進(jìn)一步的研究。
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，但還應(yīng)對磨削淬硬零件的使用性能進(jìn)行評價。為此，對磨削淬硬零件進(jìn)行了摩擦學(xué)試驗以確定其耐磨性。試驗采用剛玉球與圓盤對磨，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。試驗表明，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。

5 結(jié)論