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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 *CorrespondingV. S. K. Venkatachalapathy*Send cor
2、respondence to: rajmohan51mitindia.edu Department of Mechanical EngineeringV.R.S. College of Engineering & TechnologyArasur Villupuram (Dt.) Tamil Nadu India B. Rajmohan*Send correspondence to: rajmohan51mitindia.edu Department of Production Technology MIT, Anna UniversityChromepet Chennai Tamil Nad
3、u 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
4、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。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
5、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
6、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。Kon
7、ig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）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
8、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
9、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
10、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。在这里： 进入工件的热量（J） 产生的总热量（J）如果用根式的形式表示，分割率则为：在这里： 工件的热系数（Jm-2s-0.5K-1） b 砂轮宽度（m） 切削速度（m/sec） 纹理长度（m） 环境温度（C） 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：在这里： 砂轮的热容量系数（Jm-2s-0.5K-1） 砂
11、轮旋转速度（m/s） 工件运动速度（m/s）氧化铝砂轮的热容量系数：利用材料物理性能得到的各种工件的热容量系数： 各种工件材料的分割率如下：对于AISI52100： 工件速度（）=1.099m/sec 砂轮转速（）=30m/sec解得：对于AISI6150： 近似解得: 如果考虑切屑（）和冷却液（）上流失的热量，那么预知的分割率将下降：式中： 切屑所含能量（J）根据Howe et al的经典评价为6 J/mm3,在沸腾的液体中趋向于无穷小（=0）。于是，考虑这些因素则原先的分割率变为： 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 于是，工件材料的分割
12、率被表述为:因此，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：,在这里： 砂轮的热传导率(Wm-1K-1)= 35Wm-1K-1（对于氧化铝砂轮） 径向切削深度（） 对于AISI5210：解得，.最佳的纹理长度(）.已知：,式中：等效直径（m）；砂轮直径 (m)；工件直径 (m)解得，。因此， =0.293510-3m=0.29mm.切削持续时间（t）, ,解得，。7进入工件热量的计算从根式表达式得：.因此，.对于AISI52100进入工件的总热量：解得， =300J.可知， dx=1(unit length),这里，K 热传导率(Wm-1K-1) 43.3Wm-1K
13、-1A = 面积(m2)=6.59710-3m2T = 300/(6.59710-3)(43.3)解得，T = 1050C T1 = 1083对于AISI6150 ,解得，.最佳粒子接触长度()粒子接触时间(t)对于AISI6150进入工件的总热量，解得，.可知 (dx=1)，这里k=53.6Wm-1K-1， A=6.59910-3m2.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
14、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： 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，轮廓最大高度，微观不平度十点高度被测量出来。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。c磨削来回次数决定硬化程度（AISI6150）。 d. 磨削来回次数决定
