（机械设计及理论专业论文）单程平面磨削淬硬层预测及其摩擦磨损性能研究.pdf

i i 东大学博十学f 奇_ 论文 摘要 磨削淬火技术是一种新型的复合加工技术，该技术首先利用粗磨加工产生的 大景磨削热，对工件表面进行淬火处理，工件表层温度在短时间被升高到奥氏体 化的温度，然后被快速冷却到马氏体相变的温度，工件表层材料发生马氏体相变， 从而提高了工件表面的硬度和耐磨性。然后再利用精磨加工满足工件的精度要求， 解决了磨削中的热损伤和表面淬火难以集成到生产线的问题，将表面淬火技术集 成在机械加工之中，实现了磨削加- t 与表面淬火相集成的新的加工工艺。磨削淬 火工艺开拓了一个极富有潜力的研究方向，对磨削加工技术的发展和进步具有重 要的理论意义，随着该技术在生产领域的应用，必将产生良好的经济效益和社会 效益。本文主要研究内容和创造性成果如下： 对热源的产生位置进行了深入的分析，忽略磨粒与磨屑界面上产生的热源， 考虑在磨粒磨损界面和磨粒剪切平面产生的热源，建立了热量分配比模型。研究 结果表明：由于考虑了剪切甲面上热源的热量分配因素，计算出的热量分配t l 4 , 于w b r o w e 模型。研究加工参数与热量分配比的关系表明，磨削深度、进给速 度对热量分配比的影响较小，砂轮线速度对热量分配比的影响较大，随着砂轮线 速度增加，工件的热量分配比明显增加。分析了磨削加工参数对倾斜平面移动热 源模型的影响，研究表明，与平面移动热源模型相比，随着磨削深度和工件的进 给速度的增加，磨削弧区内的最高温度随之降低。热源分布形状对倾斜热源模型 的影响与平面热源模犁的影响是一致的，考虑到磨粒所受的力由切入处到切出处 逐渐变大，采用了三角形热源形状对磨削淬火技术温度场进行计算和预测。 基于砂轮表而磨粒为正态分布的假设，将磨削弧区内的磨粒分为滑擦磨粒和 切削磨粒，分析了单颗切削磨粒和滑擦磨粒的受力情况，建立了单颗粒磨粒的磨 削力计算模型。运用概率统计理论对磨粒的磨削过程进行深入研究，分别得出了 切削和滑擦的磨粒数目，建立磨削力的理论计算模型，并计算了磨削力。研究磨 削加工参数对磨削力的影响，研究结果表明，随着磨削深度的增加，进入磨削弧 区内的磨粒数目也随之增加，且参与滑擦磨粒和切削磨粒的概率也增加，导致磨 削力的增加。随着工件进给速度的增加，参与磨削加工的磨粒的概率和进入磨削 弧区内磨粒数目增多，磨削力也随之增大。随着砂轮线速度的增大，使进入磨削 弧区内滑擦磨粒的概率和切削磨粒的概率降低，参加磨削的磨粒数目减少，因此 砂轮线速度的增加会导致磨削力的减少。 对磨削加工和传热学进行了深入的理论分析，建立了磨削温度场的数学模型 和有限元模型，利用建立的磨削力预测模型，计算出磨削弧区内的磨削热源强度， 奉谍匙得剑囡家f i 然科学肚金资助f 项目编号：5 0 6 7 5 1 2 1 ) 一x 一 摘要 对不同磨削加工参数条件下的磨削淬火温度场进行有限元分析，得m 工件表层的 温度场和温度变化历程的仿真结果，根据热处理理论，对磨削农层是否淬硬、工 件表面硬度和淬硬层的深度进行预测。研究磨削深度和工件进给速度对磨削淬硬 层深度的影响表明，淬硬层深度随着磨削深度的增加而增加，但淬硬层深度随着 工件的进给速度的增加，呈现先增加后减少的趋势，因此只有在较高的磨削深度 和合适的工件进给速度的条件下，才能得到较厚的磨削淬硬层。 进行了相应的磨削淬火技术实验研究，对磨削力和磨削温度进行了测量。磨 削力测试结果表明，利用建立的磨削力模型可以对磨削力进行较准确的预测，能 够为磨削淬火工艺的仿真预测提供较准确数据。磨削温度测试结果表明，利用有 限元计算得到的磨削弧区的磨削温度结果与实验结果较为符合，误差小于11 ， 其中最大误差为1 0 3 。显微硬度测试表明，磨削表面硬度预测结果与实验结果较 吻合。不同参数条件下的磨削淬硬层深度的预测值与实验测量值的比较结果表明， 预测的最大误差为1 4 1 ，因此对磨削表面硬度和淬硬层深度的预测是完全可行 的。对湿式磨削淬火技术进行初步探讨，提出适合磨削淬火技术的磨削液加注方 法，进行了相应的实验研究。研究结果表明，新的磨削液加注方式可以在保证磨 削淬硬层深度的基础上，提高磨削淬硬层的硬度，改善了磨削淬硬层的硬化效果， 使磨削淬火工艺使用范围得到了提高。与干式磨削淬火相比，新的磨削液加注方 式彳i 仅可以提高工件表面形貌，而且可避免工件表层的氧化现象的发生。 利用m g 2 0 0 0 型高温高速磨损试验机对磨削淬硬层材料、常规淬硬层材料和 软化钢进行摩擦磨损试验。试验研究结果表明：磨削淬硬层材料的摩擦磨损性能 优于常规淬火处理材料。磨削淬火技术产生的马氏体组织较为细小，且具有较高 的位错密度，提高了磨损过程中的塑性变形抗力和断裂强度，改善了材料的耐磨 性能，延迟材料从轻微磨损向严重磨损的转变，在较高试验载荷、滑动速度和滑 动距离情况下，磨削淬硬层材料的耐磨效果更为突出。在干滑动摩擦条件下，磨 削淬硬层材料在低载荷、低滑动速度和较短的滑动距离条件下，磨削淬硬层材料 的磨损机制主要以磨粒磨损为主；随着试验载荷、滑动速度和滑动距离的增加， 磨削淬硬层材料的磨损机制转化为以氧化磨损和磨粒磨损为主；随着试验载荷、 滑动速度和滑动距离的进一步增加，磨削淬硬层材料的磨损机制将转变为以粘着 磨损为主。不同的摩擦磨损试验条件形成不同的磨屑形状，主要有块状磨屑、片 状磨屑、团状磨屑三种类犁磨屑。 关键词磨削淬火；磨削力；数值模拟；摩擦磨损； 山东大学博十学何论文 a b s t r a c t g r i n d - h a r d e n i n gi s an e wc o m p o u n dm a c h i n i n gt e c h n o l o g y ，w h i c hu t i l i z e st h e g r i n d i n gh e a t t oh a r d e nt h es u r f a c eo ft h e w o r k p i e c ei nt h ec o a r s eg r i n d i n g ，t h e t e m p e r a t u r eo ft h es u r f a c el a y e ri sr o s et ot h ea u s t e n i t i ct e m p e r a t u r ei nas h o r tt i m e ，t h e m a r t e n s i t i ct r a n s f o r m a t i o no c c u r r e di ns u r f a c el a y e rb yc o o l i n gr a p i d l y ，t h eh a r d n e s s a n dw e a rr e s i s t a n c eo fs u r f a c ea r ee n h a n c e d t h eg r i n d - h a r d e n i n gt e c h n o l o g yu t i l i z e s t h ef i n i s hg r i n d i n gt oa c h i e v et h er e q u i r e da c c u r a c y t h eg r i n d i n gb u m i n ga n dt h e d i f f i c u l t yo fi n t e g r a t i n gt h es u r f a c eh a r d e n i n gt e c h n o l o g yi n t ot h em a c h i n i n gp r o c e s s e s c a nb es o l v e d i nt h i sw a y ，t h es u r f a c eh a r d e n i n gt e c h n o l o g yc a nb ei n t e g r a t e di n t ot h e m a c h i n i n gp r o c e s s e s g r i n d - h a r d e n i n gt e c h n o l o g yu t i l i z e sg r i n d i n gh e a tt oh a r d e nt h e s u r f a c el a y e ro ft h ew o r k p i e c ei ng r i n d i n gp r o c e s s ，w h i c he x p l o i t sa v e r yp o t e n t i a lf i e l d ， a n dh a sat h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ef o rd e v e l o p m e n ta n di m p r o v e m e n to ft h eg r i n d i n g t e c h n o l o g y w i t ht h ea p p l i c a t i o no ft h eg r i n d h a r d e n i n g t e c h n o l o g y i nt h e m a n u f a c t u r i n gf i e l d ，t h eg r i n d - h a r d e n i n gt e c h n o l o g yw i l lh a v eg o o ds o c i a la n d e c o n o m i cb e n e f i t s t h ec o n t e n to fr e s e a r c ha n di n n o v a t i v ea c h i e v e m e n t si nt h i sp a p e r a r ea sf o l l o w s t h eh e a ts o u r c eg e n e r a t i n gp o s i t i o n sa r ea n a l y z e d b a s i n go nt h eh e a ts o u r c e s g e n e r a t i n gi nt h ei n t e r f a c eo fg r a i n - w o r k p i e c ea n ds h e a rp l a n e ，t h eg r i n d i n gh e a t p a r t i t i o nm o d e li sd e v e l o p e d t h ec a l c u l a t e dr e s u l t sb yt h ee s t a b l i s h e dm o d e li n d i c a t e d t h eg r i n d i n gh e a tp a r t i t i o ni sl o w e rt h a nt h ev a l u eo ft h ew b r o w e sm o d e lb e c a u s eo f t h ec o n s i d e r i n gt h eh e a tp a r t i t i o ni nt h es h e a rp l a n e t h ed e p t ho fc u ta n dt h et a b l es p e e d h a dl e s se f f e c to nt h eh e a tp a r t i t i o n ，w h i l et h ew h e e ls p e e dh a sa ni m p o r t a n te f f e c to ni t t h ei n c l i n em o v i n gh e a ts o u r c em o d e li su s e dt oa n a l y z et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e g r i n d i n gp a r a m e t e r sa n dt h ei n c l i n em o v i n gh e a ts o u r c em o d e l c o m p a r i n gw i t h j e a g e r sm o d e l ，w i t hi n c r e a s i n go ft h ed e p t ho fc u ta n dt a b l es p e e d ，t h ed i f f e r e n c eo ft h e m a xt e m p e r a t u r ei ng r i n d i n gz o n eb e t w e e nt h et w om o d e l si si n c r e a s e d v a r i o u ss o u r c e s o fh e a td i s t r i b u t i o ns h a p e sb yu s i n go ft h ei n c l i n em o v i n gh e a tm o d e la r ea n a l y z e d t h e r e s u l ti n d i c a t e dt h ee f f e c t so fv a r i o u ss o u r c e so fh e a td i s t r i b u t i o ns h a p e so nt h et w oh e a t m o d e l sa r et h es a m e c o n s i d e r i n gt h ev a r i a t i o no ft h eg r a i n sf o r c e ，t h et r i a n g u l a rs h a p e x i i a b s t r a c t s o u r c e so fh e a td i s t r i b u t i o ni sc h o s et oc a l c u l a t ea n dp r e d i c tt h eg r i n d i n gt e m p e r a t u r ei n t h i sp a p e r b a s i n go nt h en o r m a ld i s t r i b u t i o na s s u m p t i o no ft h eg r a i n s ，t h eg r a i n si nt h e g r i n d i n gz o n ea r ed i v i d e di n t ot w ok i n d s ，o n ei st h es l i d i n gg r a i n ，t h eo t h e ri st h ec u t t i n g g r a i n t h ef o r c eo ft h es i n g l ec u t t i n gg r a i na n ds l i d i n gg r a i na r ea n a l y z e d ，t h e n ，t h e g r i n d i n gf o r c em o d e lo fs i n g l ec u t t i n gg r a i na n ds l i d i n gg r a i na r eb u i l t t h ep r o c e s so f t h eg r i n d i n gi sa n a l y z e db yt h es t a t i s t i c a lp r o b a b i l i t yt h e o r y ，t h en u m b e r so ft h ec u t t i n g a n ds l i d i n gg a i n sa r eo b t a i n e d ，t h e r e f o r et h eg r i n d i n gf o r c em o d e li se s t a b l i s h e d t h e g r i n d i n gp a r a m e t e r sa r ea n a l y z e db yu s i n go ft h eg r i n d i n gf o r c em o d e l t h er e s u l t i n d i c a t e s ，w i t ht h ed e p t ho fc u ti n c r e a s i n g ，t h eg r a i n si ng r i n d i n g z o n ea n dt h e p r o b a b i l i t yo ft h ec u t t i n ga n ds l i d i n gg r a i n sa r ei n c r e a s e d ，t h e r e f o r e ，t h eg r i n d i n gf o r c e i si n c r e a s e d ；w i t ht h et a b l es p e e di n c r e a s i n g ，t h ep r o b a b i l i t yo ft h ec u t t i n ga n ds l i d i n g g r a i n sa n dt h en u m b e ro ft h eg r a i n si ng r i n d i n gz o n ea r ei n c r e a s e d ，s ot h eg r i n d i n gf o r c e a l s oi si n c r e a s e d ；w i t ht h eg r i n d i n gw h e e ls p e e di n c r e a s i n g ，t h ep r o b a b i l i t ya n dt h e n u m b e ro ft h eg r a i n si ng r i n d i n gz o n ea r ed e c r e a s e d ，t h eg r i n d i n gf o r c ei sd e c r e a s e d b a s e do nt h eg r i n d i n ga n dh e a tt r a n s f e rt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h em a t h e m a t i c a l m o d e la n df i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h eg r i n d i n gt e m p e r a t u r ef i e l da r ee s t a b l i s h e d ， g r i n d i n gf o r c ea n dt h eg r i n d i n gh e a ti n t e n s i t ya r ec a l c u l a t e db yu s i n gt h ef o r w a r d g r i n d i n gf o r c em o d e l t h et e m p e r a t u r ef i e l do ft h es u r f a c el a y e ra n dt h eh i s t o r yo ft h e t e m p e r a t u r ew i t h i nt h ev a r i o u sg r i n d i n gp a r a m e t e r sa r ea n a l y z e db yu s i n go ft h ef i n i t e e l e m e n tm o d e l t h eg r i n d h a r d e n i n go c c u r r e dw h e t h e ro rn o t ，t h eh a r d n e s so ft h e s u r f a c ea n dt h ed e p t ho fh a r d e n e dl a y e ra r ep r e d i c t e db yt h eh e a tt r e a t m e n tt h e o r ya n d t h es i m u l a t i o nr e s u l t s t h ed e p t ho fh a r d e n i n gl a y e ri sa n a l y z e db yt h ei n f i n i t ee l e m e n t m o d e lw i t h i nv a r i o u sg r i n d i n gp a r a m e t e r s t h er e s u l ti n d i c a t e s ，t h ed e p t ho f h a r d e n i n g l a y e ri n c r e a s e dw i t ht h ed e p t ho fc u t ；t h et r e n do ft h ed e p t ho fh a r d e n i n gl a y e rw i t h i n c r e a s i n go ft h et a b l es p e e di si n c r e a s e df i r s t l y ，a n dt h e nd e c r e a s e dw i t ht h eh i g h e r t a b l es p e e d ，t h et r e n di sn o n l i n e a r t h e r e f o r e ，t h eh i g h e s td e p t ho fc u ta n dt h e a p p r o p r i a t e dt a b l es p e e ds h o u l db ec h o s ef o rg e t t i n gt h eh i g h e rd e p t ho fh a r d e n i n gl a y e r i nt h eg r i n d h a r d e n i n g x i i i 山东大学博十学伊论文 t h eg r i n d h a r d e n i n gt e c h n o l o g yi ss t u d i e db ys o m ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c h e s ，t h e g r i n d i n gf o r c ea n dg r i n d i n gt e m p e r a t u r ea r em e a s u r e dd u r i n gt h ee x p e r i m e n t s t h e r e s u l t so ft h eg r i n d i n gf o r c ei n d i c a t et h ee s t a b l i s h e dg r i n d i n gf o r c em o d e lc a np r e d i c t t h eg r i n d i n gf o r c ea c c u r a t e l y ，w h i c hc a nb ep r o v i d e dt h ed a t u mf o rt h es i m u l a t i o n r e s e a r c h e si nt h eg r i n d h a r d e n i n gt e c h n o l o g y t h er e s u l t so ft h eg r i n d i n gt e m p e r a t u r e s h o wt h a tt h et e m p e r a t u r ep r e d i c t i o nb yu s i n go ft h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o di sf e a s i b l e t h ee r r o rb e t w e e nt h ep r e d i c t e dr e s u l t sa n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si si n l e s st h a n1 1 p e r c e n t ，t h em a xe r r o ri st h e10 3p e r c e n t t h es u r f a c em i c r o h a r d n e s sb yp r e d i c t i o ni s c o n s i s t e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s t h ee r r o ro f d e p t ho fg r i n d h a r d e n i n gb e t w e e n t h ep r e d i c t i o na n d e x p e r i m e n t sw i t hd i f f e r e n tp a r a m e t e r si si n15p e r c e n t t h em a xe r r o r i s14 1 p e r c e n t t h i si n d i c a t e st h ed e p t ho fg r i n d h a r d e n i n gf o r e c a s tw a sf e a s i b l e b a s i n go nt h ea n a l y s i so ft h eg r i n d h a r d e n i n gt e c h n o l o g ya n dh e a tt r e a t m e n t ，t h en e w c o o l a n ts u p p l ym e t h o di n g r i n d - h a r d e n i n gi s i n t r o d u c e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s i n d i c a t e dt h eh a r d n e s so ft h es u r f a c el a y e ri m p r o v e db yt h en e wc o o l a n ts u p p l ym e t h o d ， w h i c hc a ng u a r a n t e et h ed e p t ho fg r i n d - h a r d e n i n gl a y e ra n db r o a d e nt h ea p p l i c a t i o n r a n g eo fg r i n d - h a r d e n i n g c o m p a r i n gw i t ht h ed r yg r i n d h a r d e n i n gt e c h n o l o g y ，t h en e w c o o l a n ts u p p l ym e t h o dc a ni m p r o v et h es u r f a c et o p o g r a p h yo ft h ew o r k p i e c ea n da v o i d t h eo c c u r r e n c eo ft h eo x i d a t i o n t h ef r i c t i o na n dw e a rt e s t so ft h eg r i n d - h a r d e n i n gl a y e ra r ec a r r i e do u ti nt h e m g - 2 0 0 0h i g h - t e m p e r a t u r e - w e a rt e s tm a c h i n e t h er e s u l t so ft h et e s t si n d i c a t e ，t h e f r i c t i o na n dw e a rp r o p e r t i e so ft h eg r i n d h a r d e n i n gs t e e li st h eb e s to n e t h es i z eo f m a r t e n s i t ep r o d u c e db yg r i n d h a r d e n i n gt e c h n o l o g yi ss m a l l e r , t h i sk i n do fm a r t e n s i t e h a sh i g h e rd i s l o c a t i o nd e n s i t y t h ep e r f o r m a n c eo ft h ew e a ra n dt e a ri nt h ep l a s t i c d e f o r m a t i o nr e s i s t a n c e ，t e n s i l es t r e n g t h ，c r a c ki n i t i a t i o no fs t r e s sa n dt h ew e a r r e s i s t a n t m a t e r i a l sp e r f o r m a n c ea r ei m p r o v e d i nt h ed r yf r i c t i o na n dw e a rt e s t sc o n d i t i o n ，t h e m a i nw e a rm e c h a n i s mo ft h eg r i n d h a r d e n i n gl a y e ri sa b r a s i v ew e a rw i t h i nt h e l o w 1 0 a d ， l o w s p e e da n das h o r td i s t a n c ec o n d i t i o n s w i t ht h ei n c r e a s i n go ft h et e s tl o a d ，s l i d i n g s p e e da n ds l i d i n gd i s t a n c e ，t h ew e a rm e c h a n i s mo ft h e g r i n d h a r d e n i n gl a y e ri s t r a n s f o r m e di n t oo x i d a t i o na n da b r a s i v ew e a r w i t ht h eh i g h l o a d ，h i g h s p e e da n d l o n g s l i d i n gd i s t a n c e ，t h ew e a rm e c h a n i s mo ft h e g r i n d h a r d e n i n gl a y e rw a s - x l v - a b s t r a c t t r a n s f o r m e di n t oa d h e s i v ew e a r t h e r ea r et h r e ek i n d so fa b r a s i v ed u s t s ，m a s s i v ed u s t ， f l a k ed u s ta n dm s sd u s t ，i nv a r i o u sf r i c t i o na n dw e a rt e s tc o n d i t i o n s k e y w o r d s ：g r i n d h a r d e n i n g ；g r i n d i n gf o r c e ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；f r i c t i o na n d w e a r x v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，小论文不包含任何其他个人或 集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：丝害经 日期：论文作者签名：丝型经日期： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和屯子版，允许论文被查阅和借阅： 本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者虢l 以致导师躲秘日”v a 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景与意义 i 1 i 磨削淬火技术的工程背景 随着科学技术不断发展，高科技产品不断涌现，对机械零什表面质量的要求 也越来越高，要求零件具有更高的精度和较长的使用寿命。磨削加工是利用磨料 去除材料的加工方法，是机械制造中重要的加工工艺，由于磨削加工本身具有高 精度、高效率等特点，使得磨削技术得到了较快的发展，在机械加工中起着越来 越重要的作用【卜4 1 。 与其他加工工艺相比，磨削加工切除单位体积材料需要较高的能量输入，这 些能量几乎全部转化为热能，其中大部分的热能传入工件，聚集在工件表层，形 成局部高温，可高达1 0 0 0 ，形成极大的温度梯度，对工件表而质量、使用性能 及砂轮的使用寿命影响极大【5 6 】。又由于磨削加工的精度较高，因此磨削加工通常 作为零件加工的最终工序，而磨削热常常引起零件表面烧伤，导致零件报废，因 此磨削过程产生的磨削热已成为制约磨削技术进一步发展的主要因素之一。由于 磨削加工在工业中广泛应用，基于材料去除及切屑形成机理的磨削热能的产生机 理已得到深入的研究，但是以往进行磨削热分析【7 ，8 】的主要目的是得出磨削淬火钢 时工件温升和表面烧伤的情况，尽量避免磨削烧伤。 机械零件常常采用热处理来提高材料的表面硬度和耐磨性，使零件获得良好 的综合机械性能【o - t t 。淬火足把钢加热到l 临界温度以上，保温一定时间，然后以大 于临界冷却速度进行冷却，获得马氏体组织的一种热处理工艺方法。淬火的目的 主要是提高钢的硬度和耐磨性，使钢获得良好的综合机械性能。表面淬火的目的 是使零件表面获得高硬度和高耐磨性，而芯部仍保持原来良好的韧性和塑性的一 类热处理方法，表面淬火不改变零件表面化学成分，只是通过表血淬火工艺，改 变表面层的组织，以达到强化表面的目的。与常规淬火工艺相比，表面淬火工艺 可使零件保持较高韧性和塑性，且节约能源，使表面淬火技术【1 2 1 6 】在i , _ i k 生产中 得到广泛应用。但由于对零件表面淬火处理时，常需要进行离开生产线，使得生 产效率降低且生产成本增高。 可以得出，目前的热处理和磨削工艺存在两个主要技术难点： ( 1 ) 目前虽有多种表而淬火热处理工艺，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 山东人学博+ 学位论义 材料造成热损伤。 这两个问题促使人们考虑女l | 何利用磨削加工中的热量直接对零件表面进行淬 硬。如果能在加工过程中，有足够强度的热源对工件进行加热，使工件温度升高， 这样就可以在加工过程中对工件进行热处理，工件不必再运输到专门的热处理厂 进行热处理。在生产线上完成工件的热处理步骤，可对生产效率将有较大提高， 生产成本将降低。磨削淬火技术正是在这种背景下，由德国b r e m e n 大学的 b r i n k s m e i e r 和b r o c k h o f f 于1 9 9 4 年提出了磨削淬火技术【1 7 】。磨削淬火技术是利用 粗磨加工产生的磨削热，在磨削加工过程中直接对工件表面进行表面淬火处理， 然后再利用精磨加工满足工件所要求的精度范围，解决了磨削中的热损伤和表面 淬火技术难以集成到生产线的问题，实现了磨削加工与表面淬火相集成的新的加 工工艺【18 2 1 1 。 磨削淬火工艺将磨削加工与表面淬火集成一体，开拓了一个极富有潜力的研 究方向，对磨削加工技术的发展和进步具有重要的理论意义，随着该技术在生产 领域的应用，必将产生良好的经济效益和社会效益。 1 i 2 磨削淬火技术的特点 磨削淬火技术是一种新型的复合加工技术。它利用磨削热对工件表而进行淬 硬处理，使工件表层温度短时间升高到奥氏体化的温度，然后快速冷却到马氏体 相变的温度，工件表层发生马氏体相变，将表面淬火技术集成在机械加工之中。 磨削淬火技术不仅能够缩短产品的加工工序，减少生产成本，提高效率，而且具 有节能减排的效果，因此与其他表面淬火技术相比，磨削淬火技术具有显著的经 济效益。 与其他技术相比，磨削淬火技术具有明显的技术优势【2 2 - 2 5 1 。磨削淬硬技术可 以应用于能够自淬火的钢制零件、转轴的密封面、轴承的内壁、导轨的支撑面和 其它功能表而。在一般表面高频淬火难以操作的异形断面如弧形、倒角、圆弧连 接以及长而薄的零件等，利用磨削淬火技术则较易实现；磨削淬火技术积极主动 利用磨削热对工件表面进行淬火处理，将表面淬火技术集成在机械加工之中，从 工艺上避免了磨削烧伤现象的发生；在机械应力、热应力和相变应力作用下，零 件经过磨削淬火技术处理过后，表层存在残余压应力，其表层残余应力分布与表 面感应淬火后的零件相类似且表面没有细小裂纹；摩擦学及疲劳强度试验表明， 磨削淬火技术可使零件表面的耐磨性及疲劳强度得到显著提高：磨削淬火技术使 工件表层温度迅速升高到奥氏体化温度，表层温度梯度大，工件内部温度梯度较 小，故零件的热变形及淬火相变变形小。 筇1 章绪论 磨削淬火技术引入方便，投资小，在普通磨床卜即可实现。磨削淬火技术需 要磨削过程中大量的磨削热，因此常采用干式磨削或施加微少量的磨削液，减少 了冷却液废液对环境的污染，实现了磨削工艺的绿色性，具有显著的社会效益【2 刚。 1 2 磨削淬火技术的发展及关键技术 长期以来，人们一直将磨削加工中的磨削热看作一个消极的因素，为避免磨 削烧伤，通常采用冷却液来消除磨削热。1 9 9 4 年，由德国b r e m e n 大学的b r i n k s m e i e r 和b r o c k h o i t f l 7 】率先提出“磨削淬火”这一概念，即主动利用磨削加工中的磨削热对 工件表面进行表面淬火处理，避免了磨削烧伤的发生，将表面淬火工序集成到了 磨削加工之中。磨削淬火技术已经引起了国内外许多学者的研究兴趣，并取得了 若干研究成果。 1 2 1 磨削淬火技术的发展概况 1 2 1 1 磨削加工参数对磨削淬火技术的影响 1 9 9 4 年，b r i n k s m e i e r 和b r o c k h o f f 率先提出了“磨削淬火”这一概念，并分别 对4 2 c r m o 钢( 国内牌号4 0 c r m n m o ) 和1 0 0 c r 6 钢( 国内牌号g c r l 5 ) 进行磨削 淬火试验研究，在试验参数砂轮线速度3 0 m s ，材料的磨除率为2 5 5 0 m m 3 m m s 条件下，对磨削淬火技术的可行性进行了初步的探讨。 研究结果表明，磨削淬火技术应分两个阶段进行两步走，即首先经过粗磨产 生磨削热进行对工件表层进行淬火，金相检测表明淬硬层深度可到达0 3 m m ：其 次再精磨达到所需的尺寸和形状精度。 b r i n k s m e i e r 和b r o c k h o f l f 2 7 , 2 s l 于1 9 9 6 、1 9 9 9 年在平面磨床上进行对材料 a i s l 4 1 4 0 钢和a i s i e 5 2 1 0 0 钢进行磨削淬火试验研究。采用树脂和陶瓷结合剂的刚 玉砂轮，砂轮线速度在2 0 m s 至1 0 0 m s 范围内，工件的进给速度在0 0 1 m m i n 至 5 m r a i n 范围内，磨削深度在0 0 0 5 m m 至l m m 的范围内，在自冷却的条件下，采 用甲凶素试验方法考察了磨削深度、进给速度、砂轮线速度、材料属性、砂轮等 磨削参数对磨削淬火效果影响。研究结果表明：磨削深度对磨削淬硬层深度影响 较大，随着磨削深度的增加，淬硬层深度增加，如图1 1 ( a ) 所示。b r i n k s m e i e r 分析 认为，磨削深度的增加导致磨削功率增加，冈而产生的热量也增加，所以磨削淬 硬层深度也随之增加。进给速度对磨削淬硬层的影响呈现= f 线性特性。随着进给 速度的增加，淬硬层深度呈现先增人后减小的规律，其巾最人的磨削淬硬层出现 山东人学博十学位论文 在进给速度的中间阶段，当进给速度较高或较低时候，都难以得到较大的淬硬层 深度，如图1 1 ( b ) 所示。b r i n k s m e i e r 分析认为，当进给速度较低时，磨削功率小， 产生的热量少，所以淬硬层较浅；当进给速度较高时，磨削功率提高，产生的热 量增大，但时间减少导致进入工件表层的热量减少，所以淬硬层变浅。b r i n k s m e i e r 指出，当进给速度为0 1 0 5 m m i n ，淬硬层较深。砂轮线速度与淬硬层深度之间没 有明显的对应关系，如图1 1 ( c ) 所示。采用树脂结合剂的刚玉砂轮进行磨削淬火试 验，可以得到较深的磨削淬硬层深度。 e v 世 送 喽 髫 爱 o ，、 e 暑 。 型 邀 啮 髻 繁 1 0 31 0 - 21 0 。l1 0 0 磨削深度( m m )