（机械制造及其自动化专业论文）淬硬轴承钢磨削力在白层形成机理中的作用研究.pdf

汴五更轴承钢磨削力存白层形成机理中的作用研究 摘要 高硬难加工材料广泛用于各工业领域，在其机械加工过程中，工件表面通常 产生一种硬度很高的微细金相组织变质层，称为“白层”。白层给零件留下了安全 隐患，降低了产品的使用性能和寿命，应该在后续的精加工工序中将其去除。从 各种加工方法来看，对于抑制白层，磨削具有不可比拟的优越性。本文通过实验 分析、理论推导和数值仿真等手段，深入系统地研究了磨削力在白层形成机理中 的作用、磨削力导致的塑性变形及接触应力对白层形成的影响，并求出了当白层 厚度最小时的各磨削参数最优值。所做的主要工作包括： ( 1 ) 对磨削力和磨削白层进行了系统的实验研究。利用正交试验方法设计高 效率实验方案，讨论影响白层形成的因素，分析当改变磨削参数时，磨削力和磨 削白层的变化趋势。实验发现砂轮磨损量并非白层产生的必要因素，但是对白层 厚度有明显的影响；磨削深度对白层厚度影响最大，随磨削深度、砂轮速度的增 加，白层厚度增大；随工件速度增加，白层厚度先缓慢增大，后显著减小。 ( 2 ) 提出了一种新的平面磨削数值仿真方法，从仿真结果中获得表面最大等 效塑性应变及等效应力。仿真结果分析得出，磨削力导致塑性变形，在温度影响 相当时，磨削力越大，等效塑性应变值越大，即塑性变形越严重，产生白层厚度 越厚；磨削力会导致很大的接触应力，大的接触应力可以降低磨削材料的相变温 度，加快材料发生相变，易于白层的产生：磨削高温使材料奥氏体组织向马氏体 转变，由于磨削力的作用，马氏体结构严重变形，同时晶体中位错互相缠结，晶 粒严重破碎而细化成为细碎的亚晶粒，组织得到细化，性能发生改变，从而导致 白层的形成；白层的产生是磨削热和严重塑性变形共同作用的结果。 ( 3 ) 通过大量实验数据，借助完全二次项逐项回归分析方法，建立白层厚度 的经验公式，此公式精度高，能够较好地预测磨削白层厚度；通过最优化方法求 解，得到当白层厚度最小时，各磨削参数的最佳值，优化结果与直观分析结果一 致。 本研究对提高难加工材料表面质量有较重要的意义，具有一定的实际应用价 值和理论价值。 关键词：白层；磨削力；磨削参数；数值仿真；塑性变形；应力；经验公式 l l 硕上学位论文 a b s t r a c t s u p e r h a r da n dd i f f i c u l t - t o - m a c h i n em a t e r i a l sa r ew i d e l yu s e di ni n d u s t r yf i e l d s s o m eu l t r a h a r dm i n i m e t a l l u r g i c a ls t r u c t u r el a y e r s ，n a m e d “w h i t el a y e r s ”，o f t e n f o r mo nt h em a c h i n e ds u r f a c ed u r i n g m a c h i n i n gp r o c e s s e s w h i t el a y e rb r i n g s i n c i p i e n tf a u l t st ot h es e c u r i t yo ft h ep a r t s ，a n dr e d u c e st h ep e r f o r m a n c e sa n dl i f e s p a n so ft h ep r o d u c t s s o i ts h o u l db e w i p e do f fd u r i n gt h ef i n em a c h i n i n g c o m p a r e dw i t ho t h e rp r o c e s s i n gm e t h o d ，g r i n d i n gh a sc l e a ra d v a n t a g eo ni n h i b i t i n g t h ew h i t e l a y e r sf o r m a t i o n i nt h i sp a p e r ，t h ee f f e c t so fg r i n d i n gf o r c eo nt h e f o r m a t i o nm e c h a n i s mo fw h i t el a y e ra r es t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y b ye x p e r i m e n t a n a l y s i s ，t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o na n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h ei n f l u e n c e so ft h e p l a s t i cd e f o r m a t i o na n dt h ec o n t a c ts t r e s sc a u s e db yg r i n d i n gf o r c eo nt h ew h i t e l a y e r sf o r m a t i o na r ea n a l y z e d i na d d i t i o n ，t h eo p t i m u mv a l u eo ft h eg r i n d i n g p a r a m e t e r si so b t a i n e d t h em a i ns t u d i e si n c l u d e ： ( 1 ) t h eg r i n d i n gf o r c ea n dt h eg r i n d i n gw h i t el a y e ra r ea n a l y z e dd e e p l yo nt h e b a s i so ft h ee x p e r i m e n t a ne f f e c t i v e e x p e r i m e n t a lp r o g r a m i s d e s i g n e db y o r t h o g o n a le x p e r i m e n t a lm e t h o d t h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so fw h i t el a y e r sf o r m a t i o n a r ed i s c u s s e d t h ev a r i a b l et e n d e n c ya b o u tg r i n d i n gf o r c ea n dg r i n d i n gw h i t el a y e r w i t ht h eg r i n d i n gp a r a m e t e r si sa n a l y z e d i ti sf o u n dt h a tt h et h i c k n e s so fw h i t el a y e r i n c r e a s e sw i t ht h ew h e e ls p e e da n dt h ec u t t i n gd e p t h h o w e v e r ，w h e nt h et a b l es p e e d i s i n c r e a s i n g ，t h ew h i t el a y e ri n c r e a s e ss l o w l ya tf i r s t ，b u td e c r e a s e ss h a r p l ya s f o l l o w ( 2 ) an e wn u m e r i c a ls i m u l a t i o nt e c h n i q u eo fs u r f a c eg r i n d i n gp r o c e s si s p r o p o s e d t h em a x i m u mt o t a le q u i v a l e n tp l a s t i cs t r a i na n dt h ee q u i v a l e n tv o nm i s e s s t r e s so nt h eg r i n d i n gs u r f a c ec a nb ea c q u i r e df r o mt h i ss i m u l a t er e s u l t s i tc a nb e s h o w e dt h a tt h et o t a le q u i v a l e n tp l a s t i cs t r a i ni n c r e a s e sw i t ht h eg r i n d i n gf o r c ew h e n t h ee f f e c to ft e m p e r a t u r ei sn o tn o t i c e a b l e ，a n dt h es e v e r ep l a s t i cs t r a i nl e a dt om o r e w h i t el a y e r s al a r g e rc o n t a c ts t r e s sc a u s e db yt h eg r i n d i n gf o r c ec a nr e d u c et h e p h a s et r a n s f o r m a t i o nt e m p e r a t u r ea n dt h u si ts p e e d su pt h ep h a s et r a n s f o r mo ft h e m a t e r i a l s i na d d i t i o n ，t h eh i g ht e m p e r a t u r e so ng r i n d i n gs u r f a c ec a u s et h eq 一丫 t r a n s f o r m a t i o n h i g hw o r k p i e c es u r f a c et e m p e r a t u r e sc o m b i n e dw i t ht h eg r i n d i n g f o r c e sr e s u l ti nt h es e v e r ed e f o r m a t i o no fm a r t e n s i t es t r u c t u r e s ，a n dt h ed i s l o c a t i o n i ng r a i nm a ye n t w i s te a c ho t h e ra tt h es a m et i m e t h eg r a i nf r a c t u r es e v e r e l ya n d r e f i n e t h ef o r m a t i o no fw h i t el a y e ri st h ec o m m o nr e s u l t so fg r i n d i n gh e a ta n d i i i 淬硬轴承钢磨削力在白层形成机理中的作用研究 s e v e r ep l a s t i cd e f o r m a t i o n ( 3 ) a ne m p i r i c a lf o r m u l af o r t h et h i c k n e s so fw h i t el a y e ri sc o n s t r u c t e db yu s i n g al o to fe x p e r i m e n t a ld a t a t h ef o r m u l ai so fh i g ha c c u r a c ya n dc a np r e d i c tt h e t h i c k n e s so fw h i t el a y e rv e r yw e l l t h eo p t i m u mv a l u ea b o u tg r i n d i n gp a r a m e t e r s c a nb ea c q u i r e dw h e nt h et h i c k n e s so fw h i t el a y e ri sm i n i m u mb yo p t i m i z a t i o n m e t h o d t h eo p t i m i z er e s u l t ss h o w sv e r yg o o dc o r r e l a t i o nw i t ht h ev i s u a la n a l y s i s t h i ss t u d yi ss i g n i f i c a n ti ni m p r o v i n gd i f f i c u l t t o m a c h i n em a t e r i a l s s u r f a c e q u a l i t y , a n di th a st h ea c a d e m i cv a l u ea n dp r a c t i c a lv a l u e k e y w o r d s ：w h i t el a y e r ；g r i n d i n gf o r c e ；g r i n d i n gp a r a m e t e r s ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ； p l a s t i cd e f o r m a t i o n ；s t r e s s ；e m p i r i c a lf o r m u l a i v 淬硬轴承钢磨削力在白层形成机理中的作用研究 插图索引 图1 1 白层厚度与工件速度的关系2 图2 1 在光学显微镜下观测5 2 l o o 钢硬车表面横截面的白层和暗层8 图2 2 钻削后出现的表面硬化层8 图2 3 铣削后出现的表面硬化层8 图2 4 白层的微观形态1 2 图2 5 铁素体晶粒的细化及细化过程1 2 图3 1 精密平面磨床15 图3 2k i s t l e r 测力仪1 6 图3 3 扫描电子显微镜1 7 图3 4 电子束与固体样品作用时产生的信息17 图3 5s e m 结构原理方框图1 7 图3 6 显微硬度计一1 8 图3 73 因素3 水平试验的均衡分散立体图一1 9 图3 8 试验方案设计2 0 图3 9 试验结果分析流程2 1 图3 1 0 极差分析法2 1 图3 1 l 典型的磨削力信号2 3 图3 1 2 试验测力系统图2 4 图3 1 3 白层光学显微观察图2 6 图3 1 4 磨削白层s e m 的组织形态2 6 图3 1 5 磨肖l j 表面在s e m 中的微观组织2 6 图3 1 6 加工前工件表面的金相组织2 7 图3 17 白层的金相组织2 7 图3 18 暗层的金相组织2 7 图3 1 9 测量显微硬度图像2 8 图3 2 0 表面显微硬度沿深度分布2 8 图3 21 磨削力信号采集2 9 图3 2 2 影响白层厚度的砂轮磨损量因素分析3 0 图3 2 3 磨削力及自层厚度h 随磨削参数变化曲线3 2 图4 1 热机耦合求解技术流程图j 3 9 图4 2 砂轮与工件接触状态4 0 v i i i 硕士学位论文 图4 3 磨削模型简化4 l 图4 4 磨粒的形状一4 1 图4 5 不同粒度磨削深度口口与静态有效磨刃数，的关系4 2 图4 6 刀具与工件发生接触穿透4 3 图4 7 网格重划分后生成新网格4 3 图4 8 生死单元程序4 5 图4 9 工件表面等效m i s e s 应力、最大等效塑性应变4 8 图4 1 0 磨削过程中3 个不同时刻等效塑性应变分布图4 9 图4 1 l 仿真和实验磨削力比较5 0 图4 1 2 磨削力与塑性应变5 0 图4 1 3 磨削力与等效应力5 1 图4 1 4 等效塑性变形与白层厚度关系一5 2 图4 1 5 等效应力与白层厚度关系5 2 图4 1 6 磨削力在白层形成中的作用一5 5 图5 1 磨削参数对白层厚度影响的研究过程5 7 i x 淬硬轴承钢磨削力神：白层形成机理中的作用研究 附表索引 表2 1 影响磨擦表面层显微硬度的因素9 表3 1 l 8 ( 27 ) 正交表2 0 表3 2 g c r l 5 轴承钢的化学成份2 3 表3 3 磨削试验条件2 4 表3 4 正交试验设计表2 5 表3 5 正交实验试样磨削力与白层厚度值2 9 表3 6 磨损量对白层厚度影响3 0 表3 7 法向磨削力与三因素直观分析表3 1 表3 8 切向磨削力与三因素直观分析表一31 表3 9 白层厚度与三因素关系直观分析表3 l 表4 1 淬火g c r l5 钢物理特性4 5 表4 2 有限元分析结果数值4 9 表4 3 纯铁自由能变化对应a 一y 组织转变温度一5 3 表4 4 等效应力作用下相变温度5 4 表5 1 白层厚度实验数据6 l 表5 2 白层厚度预测数据与实验数据的比较6 3 x 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：音荧弗 日期：年弓肌猸 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南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、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囹。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名：戴 导师签名：) 虱 移e l 期： 日期： 9 , 0 0 7 年多月 多日 年厂月s - 日 硕+ 学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 随着生产力的发展，科学技术的进步，工业各个领域使用高硬度、高强度、 高耐磨性难加工材料日益增多，切削加工、磨削加工仍是难加工材料去除加工的 基本途径【1 1 。高硬难加工金属材料，主要指淬火钢( 如合金工具钢、轴承钢、高 速钢) 、硬质合金、冷硬铸铁、合金铸铁，在汽车、模具、加工刀具、轴承、凸 轮轴、机床、建筑机械、矿山机械中应用十分广泛1 2 j 。 高硬难加工金属材料在机械加工过程中，如磨削 3 - 9 】、硬车【1 0 13 1 、铰削14 1 、 钻削t 1 5 】、铣削1 6 1 、冲压t 17 1 、放电加工【1 8 】等，有时会产生一些硬度很高的微细金 相组织变质层，这种变质层在铁基材料中通常呈白色，故被称作为“白层”( w h i t e l a y e r ) 。白层是一种形成条件极宽、表现形式各异的磨损表面组织，对于不同的 金属材料，在不同的磨损形式、摩擦条件和摩擦副中出现。 白层具有高硬度、不易侵蚀、晶粒细、塑性变形严重并存在微观裂纹等特征 1 9 - 2 0 】。白层对零件后续的磨损行为有两个方面的影响：其一是自层的高硬度可 以提高零件的抗磨能力，其二是由于其脆性很大，易形成裂纹，同时由于微裂纹 的存在，在零件受载的情况下，白层及其周围的微裂纹可能迅速扩展，引起零件 表层材料大块剥落；垂直于表面的微裂纹引起材料开裂；白层还会导致疲劳裂纹 的成核，从而使得工件的疲劳强度降低。因此，白层给机械零件留下了安全隐患， 降低了产品的使用性能和寿命。可见，自层对产品的使用性能是极其有害的，应 该在后续的精加工工序中将其去除。 研究表明，与其它材料相比，难加工材料更容易形成白层；各种机械加工方 法都有可能产生白层，但不同的加工方法，产生白层的可能性、严重性是不同的， 而去除白层的后续工序更不一样。g u o 及s a h n i 在机理研究中发现【2 l 】：硬车产生 的白层比磨削加工产生的白层厚得多。因此从加工方法来看，对于去除白层，磨 削就比其它加工方法具有不可比拟的优越性，并且由于磨削可以进行无火花磨 削，此时可以去除极薄的一层材料( 特别是高速磨削) ，因此，不可能在无火花磨 削工序中产生白层，而只会去除已产生的白层，这是其它加工方法不可比拟的。 基于以上原因，在难加工材料加工过程中采用磨削进行精加工是减少和抑制白层 的有效办法。 目前，磨削加工是工业化国家制造业中的一种主要加工方法之一，占制造业 加工成本的2 0 2 5 ，同其他加工方法相比，磨削具有加工精度高、应用范围 淬硬轴承钢磨削力在自层形成机理中的作用研究 广、加工表面质量好、自锐性能优良等优点。磨削参数的不同会导致白层产生厚 度明显的不同，有研究表明自层厚度随切深的增大而增大，这是因为切深增大使 得磨削力和磨削能均增大，从而磨削区温度升高，a _ y 转变的机会增多，故随后 的快速冷却使得变质层的厚度增大。e d a t 7 】提供了白层厚度与工件速度的关系， 见图1 1 ，起初白层厚度随工件速度增大而增大，但到了某一临界值时，却随工 件速度增大而减小。 2 ， 2 0 量1 5 蜊 跤l o 噬 5 0 024 6 嚣 1 01 2 材料去除率( 1 0 3 m m 3 r a i n ) 图1 1 白层厚度与工件速度的关系【7 】 g u o 及s a h n i 在对硬车和外圆磨削产生的白层进行比较的研究中【9 】，发现白 层内化学元素( 如c ，o ，m n ，p ，s ，s i ，c r 等) 的含量同基体材料相比发生了变 化，但是没有进一步解释变化的机理及产生的影响。 材料的性质对白层也会产生影响。x u 等发现【2 ，随着含c 量增加白层厚度 也增加，且白层形成于含有残余奥氏体、贝氏体及低温回火马氏体等组织的材料 中，说明一定量的奥氏体对白层形成有重要作用，合金化程度对白层的形成也有 影响。b i l l 等的研究则表明【2 2 1 ，材料的层错能对白层的组织结构有重要影响。 长期以来，加工表面形成白层的磨损特性及形成机制一直存在争议【1 9 2 们。 一种观点认为白层是摩擦热作用的产物，是由磨损过程中的快速加热和冷却所形 成的晶粒非常细小的细晶马氏体。s t e a d 教授认为，白层是摩擦过程中在局部区 域摩擦热导致高温( 温度足以达到或超过平衡仅一y 相变温度) ，造成局部区域发 生奥氏体化，随之表面快速淬火形成的马氏体组织。另一种观点则认为白层的形 成仅属于变形机制，只是由塑性变形得到的非常规马氏体，磨损过程中的高度塑 性变形导致了白层内部的细晶结构。此外，关于白层的形成机制还有热一机械机 制、再结晶机制、迁移机制和化学反应机制等论点，虽然都有一定的实验和理论 依据，但都未达成共识。大量文献表明，白层形成机制的争论主要是由于对白层 微细结构的认识不一致。 关于白层的研究虽然不少，但是对白层的研究主要集中在摩擦学领域【2 0 】如 磨损及硬态车削1 1 3 2 3 j 等，分歧与争论主要集中在自层的形成条件、组织结构、 形成机理和对磨损过程的影响等方面【1 9 , 2 4 - 2 5 】，而磨削作为高硬难加工金属材料 加工的重要工序，目前对其过程中产生的白层研究报道比较少，特别是磨削过程 2 硕十学位论文 中磨削力在白层形成中的影响作用研究基本没有，因此对磨削白层的特性及产生 进行深入系统的研究，分析白层形成的原因以及磨削力在白层形成中所起的作 用，对降低白层厚度，提高难加工材料表面质量有着非常重要的意义。 1 2 本文研究目的、内容和意义 1 2 1 课题来源和研究内容 目前，对白层的研究主要集中在摩擦学领域【2 0 1 ，而磨削作为抑制白层的有 效方法，其过程中产生的白层研究报道比较少，特别是磨削力的影响作用研究， 所以关于磨削白层的产生及形成机理还需要进行深入的研究，尽量减少和抑制高 硬难加工材料加工过程中白层的产生。 本文得到了国家自然科学基金资助项目“高硬难加工金属材料磨削过程中白 层的形成机理与抑制对策的研究”( 项目编号：5 0 6 7 5 0 6 3 ) 的支撑，采用理论推导、 实验分析和数值仿真相结合的手段，对平面磨削时磨削力、磨削白层、塑性变形 及应力等问题进行了深入系统的研究。主要研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 综述了白层的概念与特性，回顾了磨削加工研究现状，总结了高硬难加 工材料的磨削特性及白层的形成条件、组织结构、形成机理和对磨损过程影响等 现状。 ( 2 ) 制定了平面磨削实验方案。主要对工件材料、实验用的精密磨床、磨削 工艺实验方案、磨削力的测量方案及数据处理方法等进行了系统介绍。 ( 3 ) 运用正交试验方法分析，讨论了影响白层形成的因素，得出不同磨削参 数对磨削力和白层厚度的影响大小及趋势。 ( 4 ) 对磨削过程进行有限元仿真。运用m s c m a r e 有限元软件进行热力耦合 分析，求出各磨削参数下的等效塑性应变值、等效应力，研究磨削力在自层产生 中所起的作用，即磨削力导致的塑性变形及接触应力在白层形成中的作用并分析 原因，揭开了磨削力在影响磨削白层形成中的真面目。 ( 5 ) 结合大量试验，借助回归分析的方法建立了白层厚度经验公式，并采用 最优化方法求解，获得各磨削参数的最优值，以求得白层厚度最小。 1 2 2 目的和意义 本论文以高硬难加工金属材料为研究对象，依靠先进的实验技术和表面分析 测试手段，综合考虑磨削参数、环境条件和材料本身的性质，对磨削产生的白层 的形成机理、显微结构和对磨损过程的影响进行系统的理论研究：在大量的实验 基础上系统地研究摩擦磨损和加工过程中能量的变化规律，以揭开磨削力、及其 导致的塑性变形和接触应力真面目，研究白层的转变机制；分析难加工材料在磨 削过程中白层的形成厚度与磨削参数之间的关系；建立磨削参数与白层厚度之间 3 淬硬轴承钢蹭削力在臼层形成机理中的作用研冗 的数学经验公式，并优化，提出抑制自层的具体措施和方法。研究成果对提高我 国高硬难加工金属材料的加工技术水平，对推动我国机械制造业的发展，对提高 我国在精密制造技术领域的国际地位均有重要的理论意义和广泛的应用价值，同 时，也具有较大的社会效益。 1 3 论文的主要组成 本文由以下几部分组成： 第一章绪论：介绍本文的研究背景、内容、目的意义以及本文结构。 第二章磨削加工及白层研究现状介绍：主要回顾了磨削研究现状，磨削特 性及自层的形成条件、组织结构、形成机理和对磨损过程影响等现状。 第三章磨削参数对磨削力和白层厚度的影响实验研究分析，介绍实验设备， 总结高硬难加工材料加工特性，设计正交实验方案，分析实验结果。 第四章磨削过程有限元仿真，建立磨削模型，得出工件表面最大等效塑性 应变值及等效应力，分析了白层形成中磨削力的作用。 第五章在大量实验基础上建立自层厚度的经验公式，较好地预测磨削白层 厚度；求解当白层厚度最小时，各磨削参数的最优值，并分析各参数影响的程度 和选择原则。 结论和展望。 1 4 本章小结 本文简单介绍了白层的概念、产生条件以及国内外对其形成机理研究的争 议，主要介绍了本文的研究背景、研究内容、研究目的和意义以及本文的主要组 成。 4 硕上学位论文 第2 章磨削加工及白层研究现状 2 1 磨削加工研究现状 2 1 1 磨削加工的特点 磨削加工是机械制造中重要的加工工艺，磨削技术及磨床在机械制造业中占 有极其重要的位置。磨削加工以其加工精度高、效率高等应用优势及工程材料的 不断发展，新的磨料磨具的出现，广泛应用于航空、航天等工业部门。当前，磨 削加工技术正朝着使用超硬磨料磨具、开发精密及超精密磨削、高速、高效磨削 工艺及研制高精度、高刚度的自动化磨削方向发展。 磨削加工有许多自身的特点i l 】： ( 1 ) 由于磨粒的特殊形状、尺寸以及在砂轮工作表面分布的随机特征等，造 成了磨削过程与一般切削过程的不同，砂轮表面上同时参加切削的有效磨粒数不 确定，砂轮工作表面的磨粒数很多，相当于一把密齿刀具，据统计规律，不同粒 度和硬度的砂轮，每平方厘米的磨粒数约为6 0 1 4 0 0 颗。但是，在磨削过程中， 仅有一部分磨粒起切削作用，另一部分磨粒只在工作表面刻划出沟痕，还有一部 分磨粒仅与工作表面划擦，根据砂轮的特性及工作条件不同，有效磨粒约占表面 总磨粒数的1 0 5 0 。 ( 2 ) 磨刃的前角多是负前角，一般前角为15 0 6 0 0 。由研究可知，刚玉砂轮 经修整后的平均磨刃前角为8 0 0 ，经过一段时间的磨削后，由于机械一热磨损的 缘故，使磨刃前角值变为8 5 0 ，而且磨刃前角的分散范围变小，而且这样大的负 前角仍能切削出连续型切削。 ( 3 ) 一颗磨粒切下的磨屑体积很小。磨削层厚度大约为10 4 lo 2 m m ，切下 的体积不大于l o 3 1 0 巧m m 3 ，约为铣削时每个刀齿所切下的1 4 0 0 0 - - 1 5 0 0 0 。 ( 4 ) 磨削速度很高，磨粒与被加工材料的接触时间极短，在极短的时间内产 生的大量磨削热使磨削区产生高温( 4 0 0 c 1 0 0 0 。c ) ，因而工件易烧伤，产生有害 的残余拉应力，甚至产生裂纹。另外，磨削高温也会使磨粒本身发生物理变化， 造成氧化磨损和扩散磨损等，减弱了磨粒的切削性能。 ( 5 ) 磨削加工的力比值( 法向磨削力r 与切向磨削力日之比) 比较大，一般 啪为3 1 4 ，而车削的眦值只有o 5 左右。 2 1 2 磨削加工技术发展现状 磨削加工是利用磨料去除材料的加工方法，随着计算机技术的发展，由计算 5 汴硬轴承钢艚削力在口层形成机理中的作用研多z 机实现加工过程中的决策、监测与控制的自动化以及利用计算机进行磨削过程的 仿真研究己成为磨削加工的一个重要研究方向。用计算机进行仿真，它是使用计 算机对建立的模型进行仿真，并考虑磨削和几何参数、磨削力和磨削热、磨削振 动和受力变形等，对磨屑形成过程、能量转换、磨削力变化、磨削区温度、磨削 精度和磨削表面质量进行仿真，并使用动态仿真方法，再现磨削过程，为研究磨 削机理打下基础。 磨削加工技术有如下几个方面的发展现状： ( 1 ) 精密磨削和超精密磨削 目前作为传统精密加工方法的磨削正在向超精密磨削、超精密研磨和抛光等 方向发展。精密和超精密磨削的关键是最后一道工序，要从工件表面除去一层小 于或等于工件最后精度等级的表面层。日本镜面磨削时使用的磨具粒度为 4 0 0 0 8 0 0 0 捍，其微粉的平均尺寸为1 5 9 m 4 p m ，加工后工件表面粗糙度可达 r a o 0 0 3 t x m 0 0 0 5 9 m 。使用粒径为2 0 n m 的s i 0 2 超微细微粉及锡抛光盘对蓝宝石 单晶进行无损超精密研磨的抛光，可获得r a 5 7 0 ) 。 由于转变快，没有足够时间进行奥氏体重结晶，马氏体在严重形变奥氏体中 形成，所得马氏体不同于常规马氏体。通常认为白层是由奥氏体、马氏体和碳化 物组成。该模型的重要现象是在白层的次表层存在温度影响下形成的回火层，其 特征是在硬度曲线上呈现软化峰。m a n i o n 等【3 4 】指出白层回火温度为5 7 5 ( 常规 马氏体回火起始温度在8 0 0 12 0 0o c ) 。早期的研究常把新生相称为未回火马氏体， 并把次表面层回火组织称为过回火马氏体。 y k e v i nc h o u 和c h r i sj e v a n s f ”j 通过用磨损陶瓷工具硬态切削5 2 1 0 0 钢， 在理论上和实验上研究了硬态切削表面白层的形成，认为白层的形成主要是由于 快热一快冷过程，但塑性变形对晶粒的细化和相变过程也起到辅助的作用。其应 用基于j a e g e r 的移动热源理论的热量模型模拟加工表面的温度范围并根据给 定临界温度的穿透厚度估计白层的厚度，仿真结果与实验结果十分吻合。 综上所述，摩擦热作用机制必须具备以下四个条件： 1 ) 摩擦热形成的瞬时高温( 即闪温) 要高于奥氏体化的临界点； 2 ) 在极短时间内实现a _ y 的转变： 3 ) 因基体的快速冷却作用，实现二次淬火； 4 ) 摩擦热的影响使次表层马氏体基体发生二次回火。 l o 硕士学位论文 ( 2 ) 塑性变形机制 不同材料和运行条件下摩擦温升在0 5 1 0 0 0 0 之间。许多研究表明，摩擦 温升是有限的，甚至变化很微小。n e w c o m b 等【36 】认为钢轨滑移量在1 时表面 温度很难达到4 0 0 。在微动条件下，大量试验结果不支持摩擦热作用机制。 c o l o m b i e 等【3 7 1 认为微动产生的热功率只有3 w ，温升小于1 0 0 * c ；w r i g h t t 3 8 1 在钢 聚甲基丙烯酸树脂( 熔点仅8 0 c ) 的微动磨屑中也未发现熔化的塑料。 不少研究认为，摩擦表面的严重塑性变形在白层的形成过程中占有重要地 位。r i c e 等的研究显示表面塑性应变可达6 以上；t e m 研究显示，一些晶粒的 铁素体变形带有很高的位错密度，白层组织是严重变形的马氏体结构，马氏体包 含形变孪晶。在微动条件下，f a y e u l l e 等【3 9 】观察到了马氏体转变和衍射斑，表明 铁合金表面层只有a 相，说明表面层a 相的转变是以应力一应变机制进行的 孪晶；在奥氏体不锈钢的连续滑动试验中也观察到相似的马氏体转变。z h o u 4 0 j 等的研究显示，在微动条件下，即使微动频率很高，滑移速率也小于1 0 m m s ， 闪温难以达到很高温度，而白层的形成强烈依赖于摩擦系数，摩擦系数又与应力 应变密切相关，所以应力一应变是控制白层形成最主要的因素。 杨业元等 4 h 指出：钢中自层具有多种位错组织，由磨损外表向里依次出现 细条状、不规则缠结胞状、多边网状和等轴晶状位错组态，白层的结构与基体相 同；白层是高度变形的区域，其形成属于形变机制。 许云华等【4 2 l 通过冲击磨损试验，观察到3 0 0 冲击下亚表层组织可分为白层、 细化层、塑性变形层。白层位于试样最表层且具有光亮特征。在紧挨着白层的下 方出现厚约3 3 9 m 的超细化层。认为在高能冲击接触载荷下，退火4 5 钢亚表层 中的白层微观组织是强烈塑性变形、铁素体严重细化、渗碳体细化溶解的区域。 因此，高能冲击接触载荷下，白层的形成属于形变细化溶解机制。白层中铁素体 的细化过程为：位错增殖、运动、缠结，形成方向性的位错晶胞，胞状组织被拉 长程度增加，在被拉长的胞状组织中产生新的细小的等轴晶粒。白层中的渗碳体 细化机制主要是剪切断裂、溶解细化。 白层中的原始铁素体区( 单面减薄) 组织和衍射谱如图2 4 ( a ) 、( b ) 。衍射图为 一束同心环，说明白层内部铁素体组织严重变形细化。由环的间距比确定其为体 心立方结构，与原始铁素体结构一致，说明白层不是相变组织。图2 4 ( c ) 为白层 中的珠光体区的形貌，原珠光体区中的渗碳体已大量减少，存在的渗碳体颗粒非 常细小，而且其形貌较为圆钝，如图2 4 ( d ) 。 在冲击角为3 0 0 的高能冲击接触载荷下，亚表层铁素体晶粒的变形明显具有 方向性并被拉长( 图2 5 a ) ，被拉长的晶粒中产生细小的等轴状的亚晶粒( 图2 5 中 a 、b 、c ) 。其形成过程有如下几个阶段：一定冲击次数后，亚表层铁素体晶粒中 产生大量位错( 图2 5 b ) ；冲击次数增加，位错密度增加及位错运动形成被拉长的 耋筌塑量望璧型皇垒呈篓些些! ! 些兰些堑璺：坚 位错胞( i n25 c ) ：塑变再增加，形成拉长的亚晶粒( i n25 d 、e ) ；最终形成等轴状 的微小晶粒( i n25 n 。 综上所述，塑性变形机制的核心在于摩擦导致表面产生显著塑变，且t 衄力一 应变是白层形成的控制参数，白层中的马氏体是应变诱导相变的结果。 图24 自层的微观形态 图25 铁素体晶粒的细化厦细化过程 ( 3 1 热机械机制 有的研究认为白层足由摩擦热和严重塑性变形共同作用的结果，硬化来自热 一机械过程产牛的晶粒细化，白层的形成相似于绝热剪切带。热一机械作用模型 可归纳为：高应变作用下，t h 于在一定距离内表面下的局部变形速率高，摩擦热 产生的速度大于向周围基体散发的速度，结果使临近表面的局部区域温度较高， 变形执力随之f 降，材判塑性变形失稳而产生绝热剪切带。绝热剪切带是在动态 载荷作用下热辅助切变而形成的窄带，其存在范围远超出摩擦磨损所涉及的领 域，白层是否等同于绝热剪切带有待进一步证实。 此外，也有研究认为塑性变形在表面层产生非常高的j 矗力高j ；力可能使 d 叶y 的临界转变温度降低，从而在温升不是很高的情况f 引发二次淬火而形成白 层。 ( 4 ) 再结晶机制 这种观点认为白层的形成是由于变形使摩擦表面层具有高度织构，通常由胞 状组织、亚晶粒和再结晶晶粒组成，对高层错能材料易形成胞状组织。 o s t e r l u n d 等 4 3 i 认为纯滚动接触的白色相是以动态再结晶的机制形成。b i l l 硕上学位论文 等【2 2 】发现铜的微动磨损表面层为细晶粒的塑性切变再结晶层，细胞状结构显示 早期的再结晶过程在很高的形核速率下进行。可以认为，表面层局部塑性应变和 再结晶形核之间形成动态平衡，这种显著变形下的平衡并未导致形变硬化效应和 韧性降低。这是因为大量的应变能提供了快速再结晶形核的趋动力，使低层错能 材料不易出现回复，再结晶形核主导磨损过程；而高层错能材料易发生回复，使 应变能在回复阶段优先于再结晶得到松弛，所以再结晶的形核少且需更长时间， 甚至不能进行，结果在磨损表面产生冷加工效应。这说明层错能应是白层研究中 需要注意的重要因素。 ( 5 ) 迁移机制 一些研究发现白层的形成伴随元素的扩散和物质的迁移，且其形成过程中物 质迁移是重要的控制参数。例如，有人用c 的扩散来解释白层的高硬度和白层的 形成；r i c e 等【3 0 】发现在滑动速度很低时，f e 转移到试件t i 试样表面。还有人在研 究c r 1 e i w 渗碳钢磨损时发现，n i 和c 在白层中富集，致使表面奥氏体更稳定， 因此白层中的奥氏体数量增多。 ( 6 ) 化学反应机制 该机制是指在环境作用下发生表面反应形成转变层，主要包括与o 和n 的反 应。有入认为白层由溶解的氮化物组成，而不是马氏体组织；m o l i n a r i ”j 等认为 在较低的滑动速度下，铁合金在干摩擦下发生氧化磨损，但是不少报道与上述结 论相反。例如，有人认为在真空中也可形成白层；b u l p e t t 4 4 】认为化学反应对白 层形成的影响可忽略；z h o u