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不锈钢超高速磨削试验研究 摘要 不锈钢具有许多优异的物理机械性能，如耐蚀性、成型性、相容性以及在很 宽温度范围内的强韧性等系列特点，使其在重工业及轻工业中获得了极大的应用。 但由于不锈钢特殊的物理机械性能，使其对传统的加工方式也提出了极大的挑战。 不锈钢通常利用磨削加工来达到表面质量和加工精度要求，但是不锈钢的磨削性 差，是传统的难磨削材料，所以在磨削加工过程中常存在如下问题：1 ) 砂轮易粘 附堵塞：2 ) 加工表面易烧伤；3 ) 加工硬化现象严重；4 ) 7 - 件易变形。这些问题导 致了不锈钢材料的优良特性在工业上难以得到广泛应用，因此研究高效率、高质 量、低成本的不锈钢的加工方法显得尤为重要。超高速磨削技术是现代新材料技 术、制造技术、控制技术、测试技术和实验技术的高度集成，是优质与高效的完 美结合，是磨削加工工艺的革命性变革。超高速磨削的优点是能够大大提高被加 工工件的精度，降低零件表面粗糙度，还可以大幅度提高磨削效率、延长砂轮寿 命和改善表面粗糙度，对硬脆材料实现延性域磨削加工，对高塑性等难磨材料也 有良好的磨削表现。 本文对典型奥氏体不锈钢材料进行系统的超高速磨削试验，研究了不同磨削 参数对磨削表面及亚表面特征、磨削力、磨削能量、磨削温度及砂轮粘附状态的 影响。试验着重研究了磨削热通量和磨削温度对不锈钢材料表面质量及砂轮粘附 状况的影响。本文通过研究得出以下结论： ( 1 )金属材料不锈钢在磨削过程中材料一般主要以塑性变形方式去除，大 部分磨削能量消耗于磨削过程中的c b n 砂轮对工件的划擦和塑性耕犁过程，而 这部分消耗的能量将几乎全部转化为磨削区的热能使磨削区产生高温。所以磨削 区的平均热通量可近似等于消耗于磨削区的平均能量通量。 ( 2 )比磨削能随最大未变形切屑厚度的增大而快速减小，当达到某临界值 后，比磨削能转而缓慢减小并趋于稳定。 ( 3 )磨削力与磨粒磨损面积的关系近似为线性关系。当磨粒磨损面积增大 到一定程度时，磨削力异常增大，工件材料表面出现烧伤现象，表面质量下降。 ( 4 )不锈钢的热通量随着砂轮线速度的增加而减小，磨削温度随着砂轮线 速度的升高而升高当砂轮线速度达到最大值后，磨削温度出现降低趋势。 ( 5 )不锈钢在磨削温度的影响下，亚表面金相组织都有不同深度的相变发 生，影响层深度同检测到的磨削温度有着良好的对应关系。亚表面的金相变化主 要为奥氏体向马氏体及铁素体组织的转变。金相组织的变化会极大地降低不锈钢 的耐蚀性和机械强度。 硕士学位论文 关键词：不锈钢；超高速磨削；表面质量；磨削温度；金相组织 i i i 不锈钢超高速磨旁试验研究 _ _ 盲_ _ 皇_ _ 昌一i i 置鼍葺置鲁鼻暑置皇鲁鼍一 a b s t r a c t s t a i n l e s ss t e e lh a sm a n ye x c e l l e n tp h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，s u c ha s c o r r o s i o n r e s i s t a n c e ，f o r m a b i l i t y , c o m p a t i b i l i t ya n ds t r o n gt o u g h n e s sa t aw i d e t e m p e r a t u r er a n g e ，t h o s ea d v a n t a g e sm a k ei tg e tag r e a ta p p l i c a t i o ni nt h eh e a v y i n d u s t r ya n dl i g h ti n d u s t r y h o w e v e r , i tp u tf o r w a r dt h ec h a l l e n g et ot h et r a d i t i o n a l p r o c e s s i n gm e t h o df o rt h es t a i n l e s ss t e e lo fw e l lp h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s s t a i n l e s ss t e e lk n o w na st h et r a d i t i o n a ld i f f i c u l tg r i n d i n gm a t e r i a l sf o ri t sn a t u r eo f h a r dc u t t i n go f f , b u tg r i n d i n gp r o c e s si so f t e ns e l e c t e df o rt h ef i n a lm a c h i n i n gi nt h e p r o d u c t i o no fc o m p o n e n t sb e c a u s eo fi t sa b i l i t yt oo b t a i nah i g hs u r f a c eq u a l i t yw i t h f i n et o l e r a n c ea n dr o u g h n e s s ，s oi to f t e ne x i s t st h ef o l l o w i n gq u e s t i o n si nt h eg r i n d i n g p r o c e s s ：1 ) t h eg r i n d i n gw h e e le a s i l yb eb l o c k e d ；2 ) m a t e r i a l se a s i l yb eb u r n e d ；3 ) m a t e r i a l sb ew o r k h a r d e n i n gs e r i o u s l y ；4 ) t h ew o r k p i e c eo f t e nb eo u to f s h a p e t h e s e q u e s t i o n sm a k et h es t a i n l e s ss t e e lm a t e r i a le x c e l l e n ti n d u s t r i a lp r o p e r t i e sc a n n o tt ob e w i d ea p p l i c a t i o ni ni n d u s t r y , s ot h es t u d yo f h i g he f f i c i e n c y , h i g hq u a l i t ya n dl o wc o s t o fs t a i n l e s ss t e e lm a t e r i a l sp r o c e s s i n gm e t h o da n dt e c h n i q u ei ss e e m e d p a r t i c u l a r l y i m p o r t a n t u l t r a h i g hs p e e dg r i n d i n gt e c h n o l o g yh i g h l yi n t e g r a t i n gt h em o d e r nn e w m a t e r i a l s t e c h n o l o g y , m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y , c o n t r o l l i n gt e c h n o l o g y , t e s t i n g t e c h n o l o g ya n de x p e r i m e n tt e c h n o l o g y , i ti st h ep e r f e c tc o m b i n a t i o no fh i g hq u a l i t y a n dh i g he f f i c i e n c y , i ta l s oi st h er e v o l u t i o n a r yt r a n s f o r m a t i o ni ng r i n d i n gp r o c e s s t h ea d v a n t a g e so fu l t r a h i g hs p e e dg r i n d i n gi st h a t ，i tc o u l dn o t o n l yg r e a t l yi m p r o v e t h ep r e c i s i o no ft h ew o r k - p i e c e ，r e d u c em a t e r i a l ss u r f a c er o u g h n e s s ，b u ta l s og r e a t l y i m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fg r i n d i n gp r o c e s s ，p r o l o n gt h el i f eo fg r i n d i n gw h e e la n d i m p r o v e dt h eq u a l i t yo fm a t e r i a l s s u r f a c e ，m a k ei tc o m et u r ef o rg r i n d i n gh a r da n d b r i t t l em a t e r i a l si nd u c t i l i t ys t y l e ，s u c ha sp l a s t i cm a t e r i a l sa l s oh a v ea g o o dg r i n d i n g p e r f o r m a n c e i nt h i sp a p e r , t h et y p i c a la p p l i c a t i o nm a t e r i a l so fa u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e li s b e u s e dt oc a r r i e do nt h eu l t r a h i g hs p e e dg r i n d i n gt e s t s ，t h e nd i s c u s s e dt h e p h y s i c a l p r o p e r t i e so fm a t e r i a l sa n dd i f f e r e n tg r i n d i n gp a r a m e t e r se f f e c t st ot h e g r i n d i n g s u r f a c ea n ds u r f a c ef e a t u r e sg r i n d i n gf o r c e ，g r i n d i n ge n e r g y , g r i n d i n gt e m p e r a t u r ea n d t h ei n f l u e n c eo ft h eg r i n d i n gw h e e la d h e s i o ns t a t e t h er e s e a r c h e ss p e c i a l l ya n a l y r z e t h eh e a tf l u xa n dg r i n d i n gt e m p e r a t u r eh o wt oa f f e c tt h em a t e r i a l s ，s u r f a c eq u a l i t ya n d h eg r i n d i n gw h e e la d h e s i o ns t a t u s t h r o u g ht h es t u d i e ss o m ec o n c l u s i o n sr e c e i v e d ： i v 硕士学位论文 ( 1 ) i nt h eg r i n d i n gp r o c e s so fs t a i n l e s s s t e e lm a t e r i a l s ，m a t e r i a l sg e n e r a l l yb e r e m o v e db yp l a s t i cd e f o r m a t i o nm o d e ，a n dm o s t ( a b o u t9 0 ) g r i n d i n ge n e r g y c o n s u m p t i o ns h o u l db ec o n s u m e di nt h ep r o c e s so fg r i n d i n gc b nw h e e l s s t r o k i n g a n dp l o u g h i n g ，a n dt h i sp a r to ft h ee n e r g yc o n s u m p t i o nw o u l db em o s t l yt r a n s f o r m e d i n t ot h eh e a tt h o s et op r o d u c eh i g ht e m p e r a t u r ei ng r i n d i n gz o n e s ot h eg r i n d i n gh e a t f l u xi se q u a lt ot h ea v e r a g ee n e r g yf l u xp a r tt h o s ec o n s u m e di ng r i n d i n gz o n e ( 2 w h e nw i t ht h em a x i m u mu n d e f o r m e dc h i pt h i c k n e s si n c r e a s e ，t h es p e c i f i c g r i n d i n ge n e r g yd e c r e a s e dq u i c k l y , t h e nt h em a x i m u mu n d e f o r m e dc h i pt h i c k n e s s r e a c h e sas p e c i f i cl e v e l ，t h es p e c i f i cg r i n d i n ge n e r g yr e a c h e st h es t a b l es t a t e ( 3 ) g r i n d i n gf o r c ei n c r e a s e dl i n e a r l yw i t ht h ea r e a so fa b r a s i v ew e a r w h e nt h eh e a r e a so fa b r a s i v ew e a rr e a c h e ss o m ep o i n t ，g r i n d i n gf o r c es u d d e n l yi n c r e a s e d ，a n d m a t e r i a l ss u r f a c ea p p e a r sg r i n d i n g b u r n ，t h es u r f a c eq u a l i t yg o e sb a d ( 4 ) t h es t a i n l e s ss t e e lh e a tf l u xw i t hl i n e a rs p e e di n c r e a s e sw i t h t h ed e c r e a s i n go f t h eg r i n d i n gw h e e l ，t h eg r i n d i n gt e m p e r a t u r ei n c r e a s e sw i t ht h er i s eo fd e p t hc u t t i n g w h e nt h eg r i n d i n gw h e e lr e a c h e sas p e c i f i cl e v e l ，t h eg r i n d i n gt e m p e r a t u r es u d d e n l y d r o p s ( 5 ) i nt h ee f f e c to fg r i n d i n gt e m p e r a t u r e ，t h em e t a l l u r g i c a lo f s u b s u r f a c eb o t h h a v em o r eo rl e s s 仃a n s l a t i o n ，t h ed e p t ho fi n f l u e n c ew i t ht h eg r i n d i n gt e m p e r a t u r e d e t e c t i o nt oh a v eg o o dc o r r e s p o n d i n gr e l a t i o n t h em e t a l l u r g i c a lo fs u b s u r f a c ei s m a i n l yc h a n g e do fm e t a l l o g r a p h i ea u s t e n i t i ct om a r t e n s i t ea n df e r r i t i co r g a n i z a t i o n t r a n s f o r m a t i o n t h ec h a n g eo fm e t a l l o g r a p h i co r g a n i z a t i o nc a ns i g n i f i c a n t l yr e d u c e t h es t a i n l e s ss t e e lc o r r o s i o nr e s i s t a n c ea n dm e c h a n i c a ls t r e n g t h k e y w o r d ：s t a i n l e s ss t e e l ；u l t r a h i g hs p e e dg r i n d i n g ；s u r f a c e q u a l i t y ；g r i n d i n g t e m p e r a t u r e ；m e t a l l u r g i c a l v 不锈钢超高速磨削试验研究 插图索引 图1 1 热源模型9 图2 1 磨削系统示意图1 3 图2 2 超高速平面磨削试验台1 5 图2 3q u a n t a2 0 0 环境扫描电子显微镜( e s e m ) 1 6 图2 4j b 4 c 精密粗糙度仪1 7 图2 5m m 6 卧式金相显微镜1 7 图2 6 热电偶回路1 8 图2 7 夹式箔片热电偶结构示意图2 0 图2 8 测温电路示意图2 1 图2 9 磨削温度测量系统2 1 图3 1 不同砂轮线速度的电镜图2 4 图3 2 不同进给量的电镜图2 5 图3 3 不同工作台速度下的电镜图一2 6 图3 4 不同磨削参数下的表面粗糙度2 7 图3 5 奥氏体不锈钢基体金相组织0 0 0 0 x ) 2 8 图3 6 不同砂轮线速度亚表面金相0 0 0 0 x ) 2 9 图3 7 不同进给量亚表面金相00 0 0 x ) 3 0 图3 8 不同工作台速度亚表面金相( 1 0 0 0 x ) 3 l 图3 9 表面显微硬度测试样点3 2 图3 1 0 不锈钢亚表面显微硬度3 2 图3 1 l 磨削后砂轮表面地貌( x 2 4 0 ) 3 4 图4 1 最大未变形切屑厚度示意图3 7 图4 2 磨削力随砂轮线速度的变化情况3 8 图4 3 磨削力随进给量的变化情况3 9 图4 4 磨削力随工作台速度的变化情况4 0 图4 5 磨削力随最大未变形切屑厚度的变化情况4 l 图5 1 比磨削能与单位宽度材料去除率的关系曲线4 3 图5 2 比磨削能随最大未变形切屑厚度的变化情况4 3 图5 3 典型不锈钢湿磨温度信号。4 4 图5 4 磨削温度随砂轮线速度的变化情况4 5 图5 5 萨洛蒙曲线4 5 l l 硕士学位论文 _ _ _ l 目_ i i i l _ _ - i l l i _ _ | _ l _ _ _ e _ _ _ _ _ _ 目| 目_ l e 目_ i l 目_ i l e 自i _ _ _ i l _ _ l 目_ 自_ 目目- 目_ 图5 6 磨削温度随砂轮线速度的变化情况4 6 图5 7 磨削温度随工作台速度的变化情况4 7 i x 硕士学位论文 1 1 选题背景及意义 第1 章绪论 由于不锈钢材料具有优良的成型性、相容性、耐蚀性，同时能保持在很宽温 度范围内的强韧性等诸多特点，使其广泛地应用在重工业和轻工业中l lj 。f h 于科 技的进展，不锈钢的种类显著增多，其用途也更广泛，它的各种优良性质也被人 们掌握而发挥了它们的功能。总之，不锈钢就像其他的合金材料一样，在工业上 已担任着重要的任务。不锈钢制成的物件具有外观精美，寿命周期长，成本低， 还可回收利用等特点，是一种性能优良的结构和功能材料，因此，其应用遍及航 空、建筑、家电、环保、食品、医疗以及汽车工业等。在加工不锈钢零件时，为 了使其达到表面质量和加工精度的要求，磨削加工是普遍采用的方法。但是，在 磨削加工中，由于不锈钢的韧性大、导热系数小、弹性模量小等原因常存在如下 问题：1 ) 砂轮易粘附堵塞；2 ) 加工表面易烧伤；3 ) 加工硬化现象严重；4 ) 工件易变 形【2 】2 。不锈钢的磨削性差，是传统的难磨削材料。不锈钢材料在传统加工方法下 难以加工，使得不锈钢材料的优良特性难以在工业上实现广泛应用，因此研究高 效率、高质量、低成本的不锈钢材料的加工方法及工艺显得尤为重要，这对发挥 不锈钢材料在现代科技工业社会的发展和应用推广中将起到关键的作用。 超高速磨削技术是现代新材料技术、制造技术、测试技术、控制技术和实验 技术的高度集成，是优质与高效的完美结合，是使磨削加工成为革命性的变革技 术【3 l 。德国著名的磨削专家t t a w a k o l i 博士曾将超高速磨削技术赞誉为“现代磨 削技术的最高峰 。超高速磨削以极高的砂轮线速度为前提，使材料的去除方式和 效率与传统磨削方式形成了很大的差别【4 6 l 。与传统磨削相比，其优点是能够大大 提高被加工工件的精度，降低零件表面粗糙度，更因为超高速磨削可以大幅度提 高磨削效率、延长砂轮寿命和改善表面粗糙度，同时对硬脆材料实现延性域磨削 加工，对高塑性的难磨削材料也有良好的磨削表现，是诸如陶瓷、微晶玻璃、不 锈钢等难加工材料的主要加工手段。高速超高速磨削是国内外正在大力研究并逐 步推广的一种先进的机械加工方法，它是近代磨削加工技术发展的一种新工艺 【5 6 】 o 超高速磨削中的许多现象可以通过最大切削厚度来解释，在其他工作参数不 变的条件下，随着砂轮线速度的提高，单位时间内参与磨削的磨粒数增加，每个 磨粒所受磨削力随之减小，总磨削力大大降低7 1 。当砂轮速度提高后，单个磨屑 不锈钢超高速厝削试验研究 的形成时间极短，在极短的时间内完成磨屑的高应变率形成过程与普通磨削有很 大的差别，表现为工件表面的弹性变形及残余应力倾向减小，特别是超高速磨制 时磨粒在磨削区的移动速度加快几倍，工件台速度也大大加快，加上响应的温度 滞后，会使工件表面磨削温度有所降低，能越过容易发生热损伤的区域，从而极 大扩展了磨削工艺参数的应用范围。正是基于上述这些特点，使得超高速磨削可 以成为可获得高效率、又达到高精度，同时能对各种材料的形状进行加工的最佳 磨削方法。本课题拟通过高速，超高速磨削加工技术，对不锈钢的典型材料进行磨 削工艺实验，通过对不锈钢材料磨削表面的观测、磨削力和磨削温度的检测来了 解不锈钢高速磨削下的材料去除机理和磨削烧伤原因，以期能改良优化传统不锈 钢磨削的工艺路线，改善不锈钢的磨削性能，提高加工效率，降低加工成本。 1 2 不锈钢材料简介 通俗地说，不锈钢就是不容易生锈的钢，实际上一部分不锈钢，既有不锈性， 又有耐酸性( 耐蚀性) 。不锈钢的不锈性和耐蚀性是由于其表面上有富铬氧化膜( 钝 化膜) 的产生，这种不锈性和耐蚀性是相对的。铬是使不锈钢获得耐蚀性的基本 元素，当钢中铬含量达到1 2 左右时，铬与腐蚀介质中的氧化作用，在钢表面形 成一层很薄的氧化膜( 钝化膜) ，可阻止钢的进一步腐蚀。不锈钢按其正火状态下 钢的组织状态一般分为马氏体类不锈钢、铁素体类不锈钢、奥氏体类不锈钢、奥 氏体+ 铁素体类不锈钢。其中以奥氏体类不锈钢、奥氏体+ 铁素体类不锈钢最难加 工。马氏体不锈钢其强度高，但塑性和可焊性较差。基于上述不锈钢的特殊的物 理或化学性能，常用来制造除要求具有一定的机械性能外，还要求具有特殊性能 的零件其种类较多；含铬1 2 - - 3 0 的为铁素体不锈钢，由于其含铬量的大幅增 加使得其耐蚀性、韧性和可焊性随之提高，耐氯化物应力腐蚀性能优于其他种类 不锈钢；含铬大于1 8 的为奥氏体不锈钢，同时还有8 左右的镍及少量钼、钛、 氮等元素，可耐多种介质腐蚀，综合物理化学性能相对较好，；奥氏体+ 铁素体双 相不锈钢兼有奥氏体和铁素体不锈钢的优点，并具有超塑性。 1 2 1 不锈钢材料发展 2 0 世纪初，冶金学家基于对铬在钢中作用的深入认识，发明了不锈钢，结束 了钢必然生锈的时代。从不锈钢的发明到工业应用大约经历了十年。1 9 0 4 1 9 0 6 年法国人g u i l i l l e t 首先进行了开创性的基础研究，对f e c r n i 合金的冶金和力学 性能进行深入研究；1 9 0 7 1 9 1 1 年，法国人p o r t e v i n 和英国人g i s s e n 进行了f e c r 和f e c r - n i 合金的耐蚀性研究，并完成了o u i l i l l e t 未完成的研究工作；1 9 0 8 - 1 9 11 年德国人m o n n a r t z 揭示了钢的耐蚀性原理并提出了钝化的概念，如临界铬含量， 2 磺士学位论文 碳的作用和钼的影响等。1 9 世纪2 0 年代初期，在钢的不锈性的实用价值在欧洲 和美国被确认，同时工业不锈钢牌号也相继问世。第二次世界大战后，随着化肥 工业和核燃料的发展，极大的刺激了不锈钢的研究和开发，同时由于氧气炼钢的 出现，1 9 4 7 年超低碳钢类型不锈钢开始商品化。自2 0 世纪6 0 年代末期以来，生 产各种不锈钢的精炼设备陆续投产，在全世界范围内，已完成了用太稳定化奥氏 体不锈钢向低碳、超低碳奥氏体过度，将不锈钢生产水平推向一个崭新的历史阶 段【8 】o 我国不锈钢生产起步较晚，工业化生产开始于1 9 5 2 年，用电弧炉大量生产不 锈钢，1 9 4 9 年以后，早期先生产c r - n i 奥氏体钢，1 c r l 8 n i 9 t i 则始于1 9 5 2 年。 随后，为了适应国内化学工业的发展需要，又开始生产含m 0 2 一3 的 l c r 8 n i l 2 m 0 2 t i 和1 c r l 8 n i l 2 m 0 3 t i 等。6 0 年代开始，由于国内化工、航天、原 子能等工业的发展需要以及采用电炉氧气炼钢技术，继研制成功并投产一大批新 钢种。7 0 年代初期，为解决能源化工行业中出现的1 8 8 型c r - n i 钢的氯化物应力 腐蚀闯题，第二代q + b 双相不锈钢随之研制投产，不仅使我国的双相不锈钢形 成了系列，而且还深入研究了它们的组织和性能以及n 的双相不锈钢中的作用机 制。但与不锈钢生产、应用的先进国家相比，我国在不锈钢的研究领域还存在很 大的差距。 1 2 2 不锈钢材料的应用 由于制成的不锈钢外观精美，寿命周期成本低，可1 0 0 回收利用，是一种 性能优良的结构和功能材料。不锈钢不会产生腐蚀、点蚀、锈蚀或磨损，而且建 筑用金属材料中不锈钢是硬度最高的材料之一，同时其良好的耐腐蚀性能使结构 部件永久保持工程设计的完整性，集机械强度和高延伸性易于部件的加工制造， 也可满足建筑师和结构设计人员的需要。因此不锈钢应用遍及航空、建筑、家电、 环保、食品、医疗以及汽车工业等【。 1 3 不锈钢材料的磨削加工 1 3 1 不锈钢的磨削特点 不同材料性能决定了不同材料的加工性。不锈钢由于其韧性大、导热系数低、 弹性模量小，故在磨削加工中存在以下常见问题： 1 ) 不锈钢材料的综合力学性能高，材料延伸率为钢的2 5 2 8 倍，为4 0 c r 的4 5 倍，因此磨削被切离的工件必须做更多的功，而多做的这部分功大部分转 变为热能，所以加工不锈钢类工件磨削温度要比加工一般工件高出许多。 2 ) 一般钢材在磨削温度的作用下，磨屑切离部位金属的强度和硬度会随着温 不锈铜翘两遁藉刖试验研究。 度的升高而明显下降，使切屑更容易切离。而不锈钢则不同，像奥民体类不锈钢 在磨削温度高达7 0 0 1 3 时仍不会降低其力学性能，切屑不易被切离，砂轮就容易被 磨损。 3 ) 由于不锈钢材料延伸率高、韧性大，磨屑很容易黏附在砂轮上，填满砂轮 磨粒的空隙，致使磨粒失去切削作用，使被磨削部位的切削温度迅速升高，有时 会高达1 0 0 0 1 5 0 0 。 4 ) 不锈钢的导热系数仅为4 5 # 钢的1 3 ，在磨削过程中产生大量的磨削热， 不能及时磨削液和砂轮传导出去，而砂轮的磨粒在这些磨削热的作用下会加速磨 损或者失去切削性能。 5 ) 不锈钢材料中都含有少量的碳化物微粒，这部分碳化物微粒硬度很高，在 切削时直接与砂轮的磨粒接触并不断发生摩擦，磨粒更易磨损，使砂轮更快变钝。 6 ) 除了马氏体类不锈钢外，不锈钢材料的加工硬化趋势都很强。加工过程中， 第二次走刀时工件表面硬度要比第一次走刀工件表面硬度高出1 4 2 2 倍，因此 砂轮更容易变钝。 7 ) 无磁性不锈钢在平面磨床上磨平面时，不能靠工作台的磁性吸盘来固定工 件，必须借助工装或专用夹具来装夹工件，给磨削工作增加了困难，尤其是整个 平面都需要磨削的薄板状工件最困难。 不锈钢的传统加工方法主要是切削和车削，但是不锈钢材料由于韧性大、热 强度高、导熟系数低、切削时塑性变形大、加工硬化严重、切削热多、散热困难 等特性，造成刀尖处切削温度高、切屑粘附刃口严重、容易产生积屑瘤，既加剧 了刀具的磨损，又影响加工表面粗糙度，且难以满足现阶段加工质量和效率。不 锈钢的是典型的难磨削材料，一般采用提高砂轮线速度来提高磨削质量和磨削效 率。但是，随着砂轮速度的提高，砂轮与工件磨削区的温度也随之升高，工件表 面容易产生裂纹、烧伤等质量缺陷。 1 3 2 高速超高速磨削技术的发展 超高速磨削技术在欧洲、日本和美国等发达国家发展很快。1 9 2 9 年， c a r l j s a l o m o n 博士提出假设，即在高速区存在切削速度的“死谷”区域，切削速 度超过其某一固定值后切削温度将会出现明显下降，磨削区单位磨削力也将随之 降低【9 】。早在上世纪7 0 年代初期，欧洲实验室研制出的机床的磨削最高砂轮线速 度已达2 1 0 2 3 0 m s 。7 0 年代，砂轮线速度达到1 2 0 m s 的实用工业高速磨床也相 继问世【l0 1 。德国的g u h r i n ga u t o m a t i a o n 公司制造的强力磨床，其功率6 0 k w 、转 速1 0 0 0 0 r r a i n 、砂轮直径4 0 0 m m 【n 】该公司同时也制造阿亨工业大学线速度达 到5 0 0 m s 的超高速磨床。在欧洲，目前已经实际应用的高速磨削和精密磨削最大 磨削速度在2 0 0 2 5 0 m s 之间，实验室磨削速度已经达到5 0 0 m s 。高速c b n 砂轮 4 硕士学位论文 l _ _ l l l _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ l _ l l 目_ _ l l _ _ _ _ - i - l 目目- i l l e 目_ l _ l i _ 1 日i i _ 目_ i _ 目i 自l _ _ - _ _ _ _ l i l l 磨床，瑞士制造的$ 4 0 的磨削能力在1 2 5 m s 发挥的最为充分，即使在5 0 0m s 也 性能出色。目前外圆磨床砂轮线速度为2 8 0 m s 的改装s 4 5 型在试验室内磨削试验 中，宽度精度为2 p m 。德国s t u d c r 公司、s c h a u d t 公司也相继开发并推出了先进 的超高速磨床i 协14 1 。s o n gm a c h i n e r y 公司、n a x o su n i o n 公司等企业在超高速磨 削应用方面也成绩出色，由此可见欧洲企业在高效深磨技术实用化方面研究的处 于全球领先地位。 日本的超高速磨削技术发展基础较好，发展也很迅速，但日本发展此类技术 不是以获得高比磨除率为主要目的，而是对提高砂轮线速度可能带来的综合效果 更感兴趣，所以其比磨除率普遍维持在6 0 m m 3 m m s 以下。日本的三菱重工推出 的c a 3 2 u 5 0 a 型c n c 采用陶瓷结合剂c b n 砂轮，砂轮线速度达到了 2 0 0 m s ”一6 1 。对超高速磨削机理的研究日本学者进行了诸多探索，井上孝二在 c b n 砂轮磨床上韵磨削效果针对对三种不同砂轮线速度进行了对比实验分析，指 出在金属磨除率为2 0 m m 3 ( r a m s ) 保持不变的情况下，磨削比在提高砂轮线速度 得到显著增大，磨削力也相应降低，在工件表层也得到有益的磨削压应力。此外， 稻日丰、庄司克雄、横川宗彦、小川i 养三、大下秀田、汪川和长谷川等日本学者， 都研究了精密超高速磨削的磨削效率、磨削方法和磨削性能优化等课题。对硬脆 难加工材料的高性能加工也有不少日本学者利用超高速磨削研究，高桥正行等学 者对石英的加工性能进行了从传统砂轮线速度到2 0 0 m s 的对比研究中，得出超高 速磨削下玻璃的表面粗糙度比普通速度磨削小得多，其加工状态随磨粒进给量的 变化可分为三个阶段：延性域、延脆性混合域和脆性域。在提高砂轮线速度的条 件下，不仅可以减少单颗磨粒未变形切削厚度，使玻璃加工始终处于延性域内进 行，而且可以促使加工工件表面质量提高【1 6 - j7 1 。准确地说，日本的超高速磨削应 称为精密超高速磨削，与德国的高效磨削有显著差异。不过近年来，一些日本学 者开展了对高效深磨技术的研究开发工作。 目前，高速超高速磨削技术在国内也引起了高度重视。我国高速磨削技术起 步较晚，在1 9 8 2 年1 0 月，湖南大学进研究成功高速强力凸轮磨削工艺试验机床， 砂轮线速度达到6 0 m s ，为国内高速凸轮轴磨床和强力磨削砂轮的研制提供了实 际重要数据【l 盯。在八十年代初，大量的高速磨削试验研究在东北大学得到全面研 究，其开发的y l m 一1 型双面立式半自动修磨生产线，在砂轮速度为8 0 m s 时磨削 压力维持在2 5 0 0 5 0 0 0 n 以上。汉江机床厂也在1 9 9 5 年使用陶瓷c b n 砂轮，进 行了2 0 0 r n s 的超高速磨削试验。2 0 世纪9 0 年代至现在，东北大学一直在进行超 高速磨削技术的研究，并首次成功研制了我国第一台圆周速度达到2 0 0 m s 、功 率达到5 5 k w 、砂轮速度为2 5 0 r r d s 的试验磨床，利用此磨床进行了相关磨床动静 压主轴系统研究、电镀c b n 最高限速2 0 0 m s 砂轮的设计和制造、磨削成屑机理 在超高速状态下的研究极其磨削区的热传递机制、高速深磨应用在高速钢材料的 不锈钢超高速蘑削试验研究 研究、单颗磨粒的c b n 磨削试验、超高速磨削温度场及摩擦系数的研究、超高速 砂轮表面气流场分布的研究、超高速磨削机理分子动力学的仿真以及磨削智能化 等方面的研究，部分研究成果达到国际先进水平、部分研究成果与国际水平持平 1 9 1 o 我国湖南大学在超高速磨削技术的研究方面一直处在全国同行的前列。1 9 8 0 - 1 9 8 5 年，国内首次由湖南大学提出了冷激铸铁的以磨代车高效磨削工艺，实 现了对冷激铸铁轴的以磨代车的一次性磨削加工，加工效率比传统磨削提高3 8 倍，在东风汽车公司、一汽集团、南汽等国内数百家汽车发动机企业得到大批量 推广应用。1 9 9 5 1 9 9 8 年，高速强力磨削工艺又首次提出，强力磨削能实现高速 重负荷下的较大进给量的磨削。在2 0 0 0 2 0 0 2 年，切点跟踪高速磨削曲轴新工艺 又得到研究开发，由此从根本上解决了针对曲轴、偏心圆等类零件工序分散加工 造成的加工效率低和重复定位误差大的难题，实现了对曲轴的高效与柔性磨削加 工的结合。从2 0 0 2 年开始，湖南大学开始针对一台2 5 0 m s 超高速磨床主轴系统 进行高速超高速研究，并在国内首次尝试磁悬浮轴承理论设计【2 0 2 2 1 。在2 0 0 0 年 中国数控机床展览会( c c m t 2 0 0 0 ) 上，湖南大学最高线速度达1 2 0 m s 的数控凸轮 轴磨床得到展出，砂轮速度达到3 1 4 m s 的超高速平面磨削实验台相继研制成功。 2 0 世纪9 0 年代至现在，随着科学技术的不断进步和发展，对零件的加工精度和 生产率提出了更高的要求，高速磨削技术更加显示出它的重要性。 在高速磨削条件下，辽宁石油化工大学的赵恒华利用金刚石和c b n 磨粒对不 同材料进行了超高速的冲击磨削试验，由此提出冲击成屑理论，更深层次探讨了 超高速下的成屑机理1 2 3 1 。东北大学金滩针对磨削工件表面质量的综合控制系统的 研究，并对高效深磨的传热机制及表面温度分布进行了系统的理论研究【2 4 1 ；在国 家高效磨削工程研究中心开发的1 5 0 m s 超高速磨削实验台上，湖南大学罗宁进行 了砂轮线速度为1 2 0 m s 的金属材料磨削工艺实验研究，并对磨削质量进行了计算 机仿真预测的研究；在改制的超高速实验机床上，东北大学冯宝富、宋贵亮、蔡 光起等研究人员，对高速单颗磨粒磨削机理进行了一系列单颗粒c b n 的磨粒磨 削实验，在砂轮线速度为1 2 0 m s 时针对4 5 # 钢、2 0 c r 钢和钛合金t c 4 以及高温 合金g h 4 1 9 d 进行了系统的磨削试验。为了进一步了解工程陶瓷在高速深磨中的 材料去除机理，湖南大学谢桂芝博士建立了工程陶瓷高速深磨的磨削力模型，得 出模型计算值和实测值的趋势一致的结果，数值也相近【2 5 】。通过研究表明，与陶 瓷材料力学性质、去除方式及磨削参数与陶瓷磨削力有着密切关系，磨削参数对 以塑性变形为主的磨削过程中的磨削力影响要大于以脆性断裂为主的磨削过程。 高速深磨试验也表明塑性去除为主的氧化锆和氮化硅的比磨削能高于以脆性断裂 去除为主的氧化铝【1 4 , 2 5 - 2 9 】。 6 硕士学位论文 1 3 3 不锈钢的高速磨削 由于常用不锈钢含有较多的铬、镍、钛元素，使其材料的特性表现为：材料 韧性强，切屑温度高、强度高、硬度高，切屑不易被切离；切屑黏附性强，切削 过程中易出现黏附、熔结现象；导热系数低，切削热不能及时传散；材料中的碳 化物微粒使刀具易于磨损；不锈钢的无磁性使得平面磨削时装夹困难。 高速磨削与其它加工工艺相比，在磨削过程对于去除的单位体积材料有极高 的能量输入，这些能量几乎全部转化为热量并集中在磨削区内，造成磨削区的温 度升高，这种现象对工件表面质量和工具使用性能都有极大的影响，缩短工件和 工具的使用寿命。在磨削过程中，磨削区内的热量通过工件、磨削液、切屑和砂 轮传递出去，其中特别注意的应该是传递给工件的热量，因为工件上的热量是导 致温升产生热损伤的直接因素。当高速磨削时，不锈钢材料亲和性大，易使砂轮 产生附着物，从而使被加工表面精度下降且加工效率降低。 不锈钢高速磨削时，由于不锈钢含有较多铬镍元素，所以给加工带来了困难， 在磨削过程中其切削压力较高，被加工材料容易产生塑性变形，同时当冷却条件 差时被加工表面易形成硬化层，砂轮的磨损会由于硬化层的出现而加剧，导致工 件精度由于砂轮的边界磨损交得不易保证。另外，一般材料的磨削加工过程中产 生的磨削热大部分是被切屑或冷却液带走，但不锈钢导热性很差将使得切屑带走 的热量比常规材料要少，所以绝大部分能量积聚在磨削区