LW01-004@40Cr调质钢磨削强化温度与强化效果试验研究
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机械毕业设计 论文
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LW01-004@40Cr调质钢磨削强化温度与强化效果试验研究,机械毕业设计 论文
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1 Journal Article | Print Published: 04/01/2003 | Online Published: 03/20/2003 Pages: 245 - 259 DOI: 10.1081/AMP-120018908 Materials and Manufacturing Processes , Volume 18 , Issue 2 外圆 磨削中 磨削强化效果 的 试验 研究 V. S. K. Venkatachalapathy *Corresponding B. Rajmohan *Corresponding V. S. K. Venkatachalapathy *Send correspondence to: rajmohan51 Department of Mechanical Engineering V.R.S. College of Engineering & Technology Arasur Villupuram (Dt.) Tamil Nadu India B. Rajmohan *Send correspondence to: rajmohan51 Department of Production Technology MIT, Anna University Chromepet Chennai Tamil Nadu India 摘要： 最近高强度和高熔点合金被广泛应用于结构和另外的场合。这些高性能的材料都 比较难以 加工 ，也难以保证高的尺寸和形状精度。磨削是应用于精加工的最普遍和常见的方法之一，和其他机械加工方 法如车削、铣削相比，磨削时产生的热量是非常高的。在散热条件 不佳 的情况下，磨削产生的热量会使工件温度迅速上升 ，这可能会导致工件被烧伤。由磨削过程产生的烧伤以被很好的证明而且 可以 按颜色 对其进行 分类，这些 损伤 在周期性载荷的作用下 会 降低产品寿命 ，甚至可能会导致灾难性的问题发生 。在 磨削 工 艺 中，一种 新的叫做 磨削强化 的热处理方法和其数学模型被提出， 在 这一工序中要解决的问题是如何有效利用磨削产生的热量来改进表面强度和 表面金相 组织，并且要防止 工件 破坏。为此进行了一个用氧化铝砂轮 加工 AISI6150 和 AISI5200 的实验，并 且结论被进行了探讨。 关键词： 外圆磨削 、磨削热、 传热比 、表面 织构 、表面 强化 。 1 引言 磨削是具有尺寸公差、几何精度和表面光洁度要求的零件的通用而且最后的精加工过程。磨削是机械加工中精度最高的加工方法，它是主要的机械加工方法，占加工费用的 25%。几乎所有的产品都或多或少 的应用了磨削，而且他们都把精度归因于磨削。 nts 2 磨削 是 应用砂轮在工件上以细小微粒的形式 不断地去除材料 。 磨削 去除材料很慢 ， 所以 在磨削之前一般都 要 用其他的 加工 方法 把工件 加工到离所需尺寸很近然后再用磨削完成加工工序。随着磨床的出现，磨削 已 成为高档材料的主 要加工方法。它是能得到所需尺寸同时进行抛光的最经济的一种加工 方法，而且能在同一机床上不换砂轮进行粗精加工。 之前 ，很多科学家对磨削时产生热量的浪费和 及其 对表面质量的影响进行了研究。根据磨削环境，热量 主要通过工件 散失，从而导致工件表面热量大量积累。热量的 大量 积累使工件表面温度升高 。高温 在 工件表面 造成一些如 裂缝、回火层或白色腐蚀 的破坏 。如果工件表层温度超过 910，表面晶相将发生变化。 Shaw 和 Vyas已经对磨削产生的表面破坏进行了深刻的理论阐述。在磨削 时， 造成表面损伤的 热影响层能被观察到。零件 表面损 伤，不能达 到质量要求将给制造商带来严重的浪费。 大多数研究的目的是想预知在 磨削强化 过程中不希望得到的改变从而避免之。无论如何，在磨削过程中热量的生 成 量是被限制的。 通过对当今热处理和磨削经验的概括，三个被重点限制的因素是： i. 表面强化的热处理方法很多，例如电磁感应淬火等，但他们很难进行集成化。 ii. 这些表面强化方法不能对不规则产品进行完全表面强化。 iii. 继热处理之后， 由于 磨削强化 强化材料数量的上升，结构成为磨削应主要关心的问题。 以上所述的问题促使 研究人员 去研究在回转磨削过程中怎样有效利用产生的热量来改进产品质量。 2工件 材料 的选择 钢的性能是 利用 在不同的温度下 与 混合 晶相对碳 有 不同 的溶解能力 来调 节 的。硬化过程是根据奥氏体在 特 定的临界冷却速度下向马氏体转变 从而阻止奥氏体的转变。 Konig 和 Menser 强调指出用工件材料的性能参数来描述磨削过程中工件性能是不可能的。他们同时指出硬度的增加是因为马氏体，它以碳化物的形式保持不变的硬度。马氏体的硬度取决于材料中碳和其他合金元素的含量 。在这一工艺中 AISI6150 和 AISI52100 被选为工件材料。 3工艺参数的影响 回转磨削具有很多可变参数，但是只有三个重要参数： 1）切削深 度， 2）进给量， 3）nts 3 磨削 来回 次数 。 在相互联系的区域切削时，热量的产生与切削深度成正比。大的切削深度导致持续长时间的热作用，所以增加切削深度使进入工件的热量增加，这将在工件表面造成烧伤，甚至造成 工件表面破坏及影响工件精度。 增加进给量将会增加发热量。进给量的两个主要影响因素是： i. 小的进给量， 传递能量高 ， 但是 切削 功率较低 进而使硬化层 深 度小。 ii. 大的进给量， 磨削力 大，但是 导致 接触时间 短、传递能量减少 ，进而硬化层 深 度小 。 因此，一个适中 的 进给量才能在工件表面得到最大的硬化层。 增加 磨削 来回 次数 只能在工件表面 的某一深度增加硬度，超出这一深度硬度将下降。因为增加切削时间和切削力将产生过多的热量，所以在很短的时间里磨削产生的热量将会接近于工件材料的熔点。因而在超过一定的切削速度后工件硬度将下降。这些过多的热量将影响成形表面的晶相或造成零件变形。 4温度模型 有效温度的观点已经被通过对很多相互联系的理论和实验结果的估计分析所证实。在这一 实 例中， 磨削强化 的程度受进入工件的热量 的影响 。 工件表面的有效温度主要受工艺参数的影响，而且 Shaw 已经把材料的热电性能和可磨削性能描述出来。许多观测者建议 在 机械和冶金行业特有的研 磨工业 中 ，工件表面可以通过控制表面温度来加工。 Rowe et al 通过对氧化铝和硅碳化合物砂轮的一系列实验测定出热容量。联系层模型认为在整个磨削层中存在能量分隔区，而砂轮体积模型假设工件和砂轮是可变的热源。 Shaw用一个比例系数把微粒性能和这一模型联系起来。 Rowe et al 提出了粒子模型，在其理论中 的 进入工件的热量比率 认为 大多数热 量不是通过切屑和冷却液散失的。 Rowe et al 已经研究过砂轮热容量对工件表面晶相的重要性，其方法是测温和分析磨削部位。 5有关术语 进入工件的 传热比 ： 进入工件的 传 热比 是进入工件的热量与总热量之比。 nts 4 tw QQR 在这里： wQ 进入工件的热量（ J） tQ 产生的总热量（ J） 如果用根式的形式表示，分割率则为： tmeww QlVk p cbR )(83.0在这里： wkpc)( 工件的热系数（ J m-2 s-0.5 K-1） b 砂轮宽度（ m） wV 切削速度（ m/sec） el 纹理长度（ m） m 环境温度（ C ） tQ 产生的总热量（ J） 分割率的根式表达式是在假定热量分布均匀而且热量只在工艺内部流动时成立。 6理论模型 理论模型要求预知分割率和工件温度。 首先，应用 Rowe et al 提出的微粒联系区域模型 而且认为在整个磨削过程中的能量是联系的，则很多材料的分割率被表述为： 21 )()(11 wsws k p ck p cVVR 在这里： skpc )( 砂轮的热容量系数（ J m-2 s-0.5 K-1） nts 5 SV 砂轮旋转速度（ m/s） wV 工件运动速度（ m/s） 氧化铝砂轮的热容量系数： 12.0)( 5.02 Ksk J mk p c s 利用材料物理性能 得到的各种工件的热容量系数： 5 2 1 0 0)( A IS Ik p c w 15.025.10 Ksk Jm 6150)( A IS Ik p c w 15.028.12 Ksk Jm 各种工件材料的分割率如下： 对于 AISI52100： 工件速度（wV） =1.099m/sec 砂轮转速（sV） =30m/sec 21 )()()(11 wsws k p ck p cVVR 解得 ： 91.09 0 9 4 8.0 R 对于 AISI6150： 近似解得 : 9 2 5.09 2 4 6.0 R 如果考虑切屑（cce）和冷却 液 （cfe）上流失的热量，那么预知的分割率将下降： )(1 ccfcc eeeRR nts 6 式中 ： ce 切屑所含能量（ J） 根据 Howe et al的经典评价cce为 6 J/mm3,在沸腾的液体中cfe趋向于无穷小 （cfe=0）。于是，考虑这些因素则原先的分割率变为： )6(1 ceRR 在能量 很小时，切屑所含能量的影响显地越来越重要，根据粒子联系模型，切屑所含能量被假定为 330 mmJe c 于 是，工件材料的 分 割率被表 述为 : 8.0)306(1 RRR 因此， 8.0 RR 利用 Rowe et al 发展的粒子联系模型解决砂轮和工件间的热量分割： )(1)(11 wsogews k p cVrkR , 在这里： gek 砂轮的热传导率 (Wm-1 K-1) gek= 35 W m-1 K-1（对于氧化铝砂轮） or 径向切削深度 （ m ） 对于 AISI5210： )(1)(11 wsogews k p cVrkR )105.10(1)3035(1173.0 3 ows rRR 解得， mro 71.21071.2 6 . 最佳的纹理长度 (el） nts 7 eoe drl . 已知： )( wswse ddddd , 式中 ：ed等效直径（ m） ；sd砂轮直径 (m)；wd工件直径 (m) 解得， mde 0318.0。因此， )0318.0()1071.2( 6 el=0.293510-3 m=0.29 mm.切削持续时间（ t） , se Vlt ,解得， sec66.9 t 。 7进入工件热量的 计算 从根式表达式得： tmewwtw QlVk p cbQQR )(83.0. 因此， mewww lVk p cbQ )(83.0. 对于 AISI52100 进入工件的总热量 ： 32102 9 3 5.0099.1105.1006.083.0 213213 wQ 解得， WQ=300 J.可知， dxtkAQ dx=1(unit length), kAQT , 这里， K 热传导率 (W m-1 K-1) 43.3 W m-1 K-1 A = 面积 (m2)=6.59710-3 m2 nts 8 T = 300/(6.59710-3)(43.3) 解得， T = 1050C T1 = 1083 对于 AISI6150 )(1)(11 wsogews k p cVrkR , )108.12(1)3035(1174.0 3 ows rRR , 解得， mro 0.2100 1 1 8.2 6 . 最佳粒子接触长度 (el) eoe drl mmml e 25.01025.0)0 3 1 8.0()100.2( 36 粒子接触时间 (t) s e c43.8301025.0 3 se Vlt 对于 AISI6150 进入工件的总热量， 321025.0)099.1)(108.12)(06.0(83.0 213213 wQ 解得， JQw 338. 可知 dxTkAQ (dx=1)，这里 k=53.6 W m-1 K-1 ， A=6.59910-3 m2.解得， T=955C, T1=987C 奥氏体向马氏体转变是由于接触面积上产生的温度导致的。 8试验 通过改变切削深度、进给量和 磨削来回次数 来进行实验研究。为了得到 磨削强化 层， 一个标准的氧化铝砂轮 被 选定 ， 并且初步确定了磨削环境。这些意味着 为 引导马氏体晶相的改变 ， 高的材料去除率 是 有必要 的 。 在 这个实验中，切削速度是根据表面粗糙度和 加工精度 要求 来改变的。磨削环境在下面给出： nts 9 表 1 磨削 条件 工艺： 回转磨削 砂轮： 氧化铝 A46L5V 材料： AISI6150&AISI52100 切削速度： 30m/s 冷却 液 ： 乳浊液 各种粗糙度参数如 轮廓算术平均偏差aR，轮廓最大高度tR， 微观不平度十点高度 zR 被测量出来。表面裂缝被用电磁裂缝探测器进行探测，并且结果被进行了分析。 、 9 试验 结果和探讨 从微观结构上看这是明显的，在磨削过程中产生的大多数切屑已被腐蚀变暗，但也有白色腐蚀带的存在。这意味着炭化物微粒几乎完全被从铁素体基体中分离出来 。（晶粒细小的马氏体结构 产生 了） a. 经过磨削的 AISI6150样本的显微结构。 b. 经过磨削的 AISI52100样本的显微结构。 这些被腐蚀的晶相显示当温度到 810时有大量的碎屑产生 ,而到 950或更高时白色腐蚀带将产生 ,这正如 Doye 和 Dean 所 提出的一样。但是 在大的磨削深度时，工件表面温度将对切削有更大的影响，尽管表面热量的产生和冷却是迅速的。在这一工艺中得到的理论模型也被在相关领域中得到。以下指出磨削材料在表层以下各深度的硬度。 nts 10 c 磨削来回次数 决定硬化程度（ AISI6150）。 d. 磨削来回次数 决定硬化程度 （ AISI52100）。 从磨削样本和切削样本的比较 中 可以 得 出 磨削强化 可以得到较大 的硬度。在这实验中应用了冷却液，尽管它对 磨削强化 没有太大的影响。 e. 比较车削样本和磨削样本的硬度（ AISI6150） 。 f. 比较车削样本和磨削样本的硬度（ AISI52100） 。 采用大的切削深度且增加 磨削来回次数 ，散热面积和接触时间将随着 切削能量的增加而增加。继续 增加 切削深度，硬度将下降。这是因为切削深度超过一定的限度后，切削能力将下降。 磨削强化 的零件被用电磁探测器进行检测，要求无缺陷。 nts 11 g 磨削来回次数 的影响（ AISI6150）。 h 磨削来回次数 的影响（ AISI52100）。 10 表面 织构的 控制 表面晶相组织是 在 环 境 条件改变或不变的情况下，工件表面进行的机械或其他表面成形工艺决定的。 材料的自然表面对材料的机械性能有很大的影响。在有些材料的机械工艺下这些关系被进一步显现。 Nam et al已经阐明，精加工是 机械 制造的关键。以前，对表面特征和功能要求的关系关注的很少。缺乏对摩擦和磨损现象的认识已成为一个有关表面特征和摩擦表面设计制造的循环问题。因而，尽管设计的重点是 要求工件表面 摩擦小、磨损少和经济利益，但是 迄今为止仍不能设计和制造出最佳的光滑表面。 在结构实用性上，表面的自然斜槽是最重要的。对于承载，则表面的自然峰的数 量更为重要。因而工件样本的表面不平度被测量出来，而且测量结果被进行了划分。 i 磨削样本的表面粗糙度值（ AISI6150）。 nts 12 j 磨削样本的表面粗糙度值（ AISI52100）。 根据国际标准，这一结果是可以被接受的 （磨削的表面粗糙度aR在 0.1到 0.16 m 的范围内是可以被接受的 ） 。 11 结论 实验证明外圆 磨削中产生的热量可以被作为新的热处理方法来有效利用。 根据现有的回转磨削知识和实验结果， 得出以下结论 ： 磨削硬化部分是细小微粒的马氏体，它是通过表面奥氏体 层的短时自 淬 得到的。 冷却液可以避免烧伤和改进表面质量，但是它对淬硬的影响是微不足道的。 磨削强化 的零件上很少出现裂缝，但仍须用电磁探测器进行检查。实验证明，机械加工部分在垂直装夹时容易淬硬。 磨削强化 的加工方法可以被用主轴、凸轮轴、轴承侧面、导轨和另外 的功能面等普遍应用磨削的工艺中。 可以推断对于 AISI6150 10 时 （ 最大切削深度为 0.9mm），硬度是增加的，硬化层为1mm。对于 AISI52100磨削来回次数为 14，（最大切削深度为 1.3mm）时，硬化层为1.6mm。 磨削来回次数 超过 14，则硬度下降。由此可认为， AISI52100 可增加的碳含量和 磨削来回次数 比 AISI6150多。 理论温度模型是用微粒接触模型找出切屑和工件分界面的温度，看哪一温度与Doyle和 Dean提出的比较符合。实际上，联系区域产生的热量是奥氏体向马氏体转变的主要热源。 这是可以肯定的，采用这种新方法进行表面强化具有很大的经济利益，这是因为它可以提高 集成化 程度 ，而且 它也 可以实现 向另外表面强化工艺的技术转变。 磨削强化 工艺的应用导致工艺路线的缩短和工序时间的减少， 当然 也降低了生产成本。 nts 13 参考文献 1 Des Ruisseaux N.R., Zerkle R.D., Thermal analysis of the grinding process, Trans. ASME J. Eng. Ind., 92 (1970) 428432. 2 Shaw M.C., Vyas A., Heat affected zones in grinding of steels, Ann. CIRP, 43/1 (1994) 571581. 3 Shaw M.C. Fundamentals of grinding, New Developments in Grinding, Shaw M.C. Carnegic Press, 1972. 4 Guo C., Malkin S., Heat transfer in grinding, J. Mater. Process. Manuf. Sci., 1 (1992) 1627. 5 Doyle E.D., Dean S.K., An insight into grinding from materials viewpoint, Ann. CIRP, 29 (2) , (1980) 571575. 6 Konig W., Menser J., Influence of the
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