磨削加工与表面淬火集成制造技术

　　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 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。

　　来源：中国金属切削液|机械加工液行业化工网站信息中心