摘要：磨削淬硬是利用磨削熱對工件表面進行淬火處理的新技術，該技術在一定范圍內可替代表面感應淬火、火焰淬火等表面熱處理工藝，便于將表面淬火工藝與機械加工工藝集成化，有助于降低產品成本，縮短產品生產周期。
1 引言
許多鋼質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，表面淬硬處理的優(yōu)點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零件進行運輸、儲存、清洗等操作，不可能將其集成到產品的機械加工生產線上，因此，將使產品生產周期加長，成本提高。磨削加工是一種常見的金屬加工方式，被廣泛應用于機械加工領域，通過磨削加工可得到滿意的尺寸精度、形狀精度和表面質量。但磨削加工中磨削熱的擴散及控制，一直是該領域的重要研究課題，若工藝條件不當，磨削熱將影響已加工工件的表面質量，特別是加工淬硬鋼時，還可能引起加工表面的熱損傷。1994年，德國的Brinksmeier.E和Brockhoff.T首次提出了關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，并于1996年、1999年進一步闡述了這一新工藝在工業(yè)中應用的可行性及相關試驗研究結果。2000年，澳大利亞的Zhang.L和Zarudi.I申請了關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對工件表面進行淬硬處理的方法具有潛在的發(fā)展前景。
在大多數情況下，磨削加工產生的熱量被認為是一個消極因素，應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，但都很難集成到產品生產線上；② 零件在表面熱處理后需進行磨削加工，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，即磨削淬硬。
由于磨削加工在工業(yè)中應用廣泛，基于材料去除及切屑形成原理的磨削功率轉換為磨削熱能的機理已得到深入研究。在一定的磨削條件下，磨削熱主要通過工件擴散，使工件表面產生高溫，這種熱載荷與磨粒和工件表面之間的機械載荷疊加，將使工件表面產生裂紋、回火等，這種現(xiàn)象在磨削加工領域已得到公認并被深入研究。在磨削加工中，當工件表層材料被磨削熱加熱到一定溫度時將會產生相變。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生的溫升，并對理論模型進行了相應的工藝驗證。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目的的材料表面硬化現(xiàn)象。近年來，許多基礎性研究則是企圖主動有效地控制磨削工藝條件，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。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，利用磨削熱可以得到馬氏體硬化層，硬化層深度達0.25µm。從此，為使磨削淬硬工藝投入工業(yè)應用，人們進行了許多理論和試驗研究，本文主要概述目前的部分研究結果。
2 基本理論
為得到滿意的磨削淬硬結果，需在磨削加工時產生大量磨削熱及獲得最佳熱量擴散分配比，因此磨削淬硬工藝不宜使用冷卻潤滑液。但當工件體積太小，不足以滿足自身淬火功能要求時，可使用冷卻液幫助實現(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行闡述。為評價磨削淬硬的效果，需測量磨削淬硬后試件橫截面硬度層深度，并根據測量的切向力Ft計算單位切削功率Pc及進入工件的單位能量ec，
| Pc=(FtVc)/(aplg) |
(1) |
| ec=RPctc |
(2) |
式中：Vc——切削速度
lg——接觸長度
ap——砂輪寬度
R——熱量分配比
tc——接觸時間
3 磨削淬硬技術的工藝性能
1) 切削深度
在平面磨削中，如進給速度不變，則材料去除率和切屑等效厚度與切削深度ae成正比，增加切深通常會使切削力增大。用剛玉砂輪磨削40CrMnMo鋼(切削速度：Vc=35m/s，進給速度Vft=0.5m/min ，無切削液)的試驗及理論計算結果表明，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果。在切深ae=1mm時，進入工件的單位能量達到最大(ec=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，進入工件表面的能量也相應增加。因此在切深ae=1mm時，硬度層深度可達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力。磨削已淬硬鋼時，熱影響以及由此引起的相變(馬氏體轉化為珠光體)將引起殘余拉應力。而磨削淬硬工藝中的相變(珠光體轉化為馬氏體)將產生殘余壓應力，砂輪的機械作用也會在工件表面形成殘余壓應力。珠光體轉化為馬氏體是磨削淬硬過程中形成殘余應力的主要機制。在淬硬層以下會檢測到殘余拉應力，通常磨削淬硬后的殘余應力分布類似于表面感應淬火后的殘余應力分布。
2) 進給速度
增大進給速度Vft通常會使磨削力增大，在磨削淬硬工藝中也是如此。為分析進給速度對磨削淬硬工藝的影響，用剛玉砂輪對40CrMnMo鋼進行了磨削試驗研究(切削速度：Vc=35m/min，切削深度ae=0.1mm，無切削液)。由式(1)可知，在其它參數不變的條件下，切向磨削力的增大會使功率消耗增大。在進給速度Vft=5m/min 時，單位切削功率Pc=160W/mm2。雖然磨削功率有所增加，但進入工件的單位能量計算結果卻顯示出完全相反的現(xiàn)象。進給速度從Vft=0.01m/min增加到Vft=5.0m/min時，單位能量的計算結果由ec=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，因此進入工件表面的熱量也相應減少。當進給速度很低時，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��；當進給速度很高時，磨削功率增加，但由于接觸時間減少，進入工件的能量降低，使淬硬層的深度也減小。試驗結果表明，最大淬硬層深度出現(xiàn)于進給速度的中間階段，當進給速度很高或很低時，都難以得到滿意的淬硬結果。
3) 切削速度
當切削速度Vc增大時，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，切削速度增大將使每粒切屑的厚度減小。在這種情況下，單位切削功率和進入工件的單位能量都將降低。但試驗結果表明，切削速度對磨削淬硬工藝的影響相當復雜。提高切削速度，可在一部分區(qū)域內降低切削功率，而在其它范圍情況卻相反。由式(1)可知，當切削力保持不變時，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(如砂輪規(guī)格等)有關。因此，在切削速度與淬硬結果之間沒有普遍的對應關系。
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)出對碳的不同溶解能力，據此即可對鋼的性能進行調節(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鋼進行磨削試驗(切削速度Vc=35m/min，切削深度ae=0.1mm，進給速度Vft=0.5m/min ，材料去除率VW=60mm3，無切削液)，結果表明，經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。但退火材料也可以進行磨削淬硬。
5) 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，可以選用剛玉砂輪，因剛玉砂輪的熱傳導能力低于CBN砂輪。使用樹脂結合劑和陶瓷結合劑剛玉砂輪的磨削試驗(被加工材料為40crMnMo, Vc=35m/min，ae=0.1mm，Vft=0.5m/min，VW=60mm3，無切削液)結果表明，雖然陶瓷結合劑剛玉砂輪硬度很高，并具有低熱傳導能力和高耐熱特性，但陶瓷結合劑剛玉砂輪得到的淬硬層深度比樹脂結合劑剛玉砂輪小得多。進一步分析砂輪的特性可知，陶瓷結合劑砂輪不能承受高機械載荷，而且磨損迅速。盡管樹脂結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
一種新工藝的應用前提是應保證其具有良好的工藝穩(wěn)定性和結果再現(xiàn)性。為考察磨削淬硬工藝的結果再現(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cp=1.27, cpk= 1.03，由于兩個指數均大于1，表明磨削淬硬工藝是可行的和可控制的。磨削淬硬工藝結果按高斯分布且在公差之內，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力分布來看，磨削淬硬加工完全能滿足工藝要求，但還應對磨削淬硬零件的使用性能進行評價。為此，對磨削淬硬零件進行了摩擦學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 磨削淬硬對產品工藝流程的影響
磨削淬硬技術不僅使表面熱處理工藝集成到生產線成為可能，而且能方便地將其集成到機械加工過程中，這將減少生產工序，縮短加工周期，降低產品成本。因此，磨削淬硬不僅在技術上能替代感應淬火或激光淬火，而且在經濟上也能替代傳統(tǒng)的表面強化工藝。圖1是一些典型零件如主軸、導軌等采用磨削淬硬工藝對生產周期的影響。
圖1 典型零件的磨削淬硬工藝流程
為引入磨削淬硬技術，在選擇零件及生產工序時，要先進行技術評價和經濟性評估。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, 采用磨削淬硬技術可節(jié)省費用10%～50%。
5 結論
磨削淬硬技術的特點是：①磨削淬硬分兩個階段：首先經過粗磨產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；②磨削淬硬是短時間內奧氏體化的工件表層經自淬火向馬氏體相變的現(xiàn)象；③冷卻潤滑劑會影響熱量的產生，因此磨削淬硬時可采用干式磨削；④磨削淬硬使零件表面淬硬層存在殘余壓應力，表面無裂紋。
目前的研究表明，低材料去除率的磨削淬硬技術的工藝穩(wěn)定性在工業(yè)上是完全可以接受的。摩擦學試驗證明，磨削淬硬能極大地改善零件表面耐磨性。總之，磨削淬硬在技術上能替代感應淬火和激光淬火。由于磨削淬硬技術能增加產品生產的集成水平，縮短生產周期，減少熱處理設備的排放物；在加工過程中不采用磨削液，可減少廢液排放對環(huán)境的影響，因此其經濟效益和社會效益均非常顯著。磨削淬硬技術的另一個優(yōu)點是引入簡便，不需太大投資，只要經過試驗確定最佳工藝參數，在任何普通磨床上均可實現(xiàn)。
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