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磨削淬硬技術的工藝性能

磨削淬硬技術的工藝性能

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切削深度 
       在平面磨削中,如進給速度不變,則材料去除率和切屑等效厚度與切削深度ae成正比,增加切深通常會使切削力增大。用剛玉砂輪磨削40CrMnMo鋼(切削速度:Vc=35m/s,進給速度Vft=0.5m/min ,無切削液)的試驗及理論計算結果表明,隨著切削深度的增加,切向力增大,但單位切削功率卻減小。顯然,接觸長度增加的影響超過了切削力增大的影響,因此單位切削功率不適合于描述磨削加工工件表面的淬硬結果。在切深ae=1mm時,進入工件的單位能量達到最大(ec=150J /mm2,由于切削深度的增加使熱作用時間加長,雖然單位切削功率降低,但單位能量穩定增加,所以隨著切削深度的增加,進入工件表面的能量也相應增加。因此在切深ae=1mm時,硬度層深度可達1.8mm。 
       X 射線分析表明,磨削淬硬零件的淬硬表層存在殘余壓應力。磨削已淬硬鋼時,熱影響以及由此引起的相變(馬氏體轉化為珠光體)將引起殘余拉應力。而磨削淬硬工藝中的相變(珠光體轉化為馬氏體)將產生殘余壓應力,砂輪的機械作用也會在工件表面形成殘余壓應力。珠光體轉化為馬氏體是磨削淬硬過程中形成殘余應力的主要機制。在淬硬層以下會檢測到殘余拉應力,通常磨削淬硬后的殘余應力分布類似于表面感應淬火后的殘余應力分布。 
 
進給速度 
       增大進給速度Vft通常會使磨削力增大,在磨削淬硬工藝中也是如此。為分析進給速度對磨削淬硬工藝的影響,用剛玉砂輪對40CrMnMo鋼進行了磨削試驗研究(切削速度:Vc=35m/min,切削深度ae=0.1mm,無切削液)。由式(1)可知,在其它參數不變的條件下,切向磨削力的增大會使功率消耗增大。在進給速度Vft=5m/min 時,單位切削功率Pc=160W/mm2。雖然磨削功率有所增加,但進入工件的單位能量計算結果卻顯示出完全相反的現象。進給速度從Vft=0.01m/min增加到Vft=5.0m/min時,單位能量的計算結果由ec=1150J/mm2驟減至25J/mm2。單位能量的降低是接觸時間減少引起的,進給速度提高,砂輪(等效于熱源)和工件表面固定點的接觸時間變小,因此進入工件表面的熱量也相應減少。當進給速度很低時,傳遞能量很高,但由于提供的切削功率較低,使淬硬層的深度減小;當進給速度很高時,磨削功率增加,但由于接觸時間減少,進入工件的能量降低,使淬硬層的深度也減小。試驗結果表明,最大淬硬層深度出現于進給速度的中間階段,當進給速度很高或很低時,都難以得到滿意的淬硬結果。
 
 
切削速度 
       當切削速度Vc增大時,可使切削力減小,這是因為在切深和進給速度不變的條件下,切削速度增大將使每粒切屑的厚度減小。在這種情況下,單位切削功率和進入工件的單位能量都將降低。但試驗結果表明,切削速度對磨削淬硬工藝的影響相當復雜。提高切削速度,可在一部分區域內降低切削功率,而在其它范圍情況卻相反。由式(1)可知,當切削力保持不變時,增大切削速度將使單位切削功率提高。另一方面,切削力的增大或減小與切削速度和其它影響參數(如砂輪規格等)有關。因此,在切削速度與淬硬結果之間沒有普遍的對應關系。
 
 
材料的影響 
       隨著溫度的變化,鋼材中a-、g- 混合晶體呈現出對碳的不同溶解能力,據此即可對鋼的性能進行調節。淬硬機理是基于特定冷卻速率和奧氏體晶格向馬氏體晶格切變特性的馬氏體→奧氏體相變,熱處理效果主要取決于材料中碳和合金元素的含量及其預處理情況,在這方面磨削淬硬工藝與傳統熱處理工藝的影響因素相同。用剛玉砂輪對40CrMnMo和 GCr15鋼進行磨削試驗(切削速度Vc=35m/min,切削深度ae=0.1mm,進給速度Vft=0.5m/min ,材料去除率VW=60mm3,無切削液),結果表明,經回火處理的材料能得到比退火處理材料更大的淬硬層深度,其原因是回火材料碳化物分布較細。但退火材料也可以進行磨削淬硬。
 
 
砂輪的影響 
       砂輪規格對磨削加工中的熱擴散有重要影響。為使盡可能多的熱量流入工件,可以選用剛玉砂輪,因剛玉砂輪的熱傳導能力低于CBN砂輪。使用樹脂結合劑和陶瓷結合劑剛玉砂輪的磨削試驗(被加工材料為40crMnMo, Vc=35m/min,ae=0.1mm,Vft=0.5m/min,VW=60mm3,無切削液)結果表明,雖然陶瓷結合劑剛玉砂輪硬度很高,并具有低熱傳導能力和高耐熱特性,但陶瓷結合劑剛玉砂輪得到的淬硬層深度比樹脂結合劑剛玉砂輪小得多。進一步分析砂輪的特性可知,陶瓷結合劑砂輪不能承受高機械載荷,而且磨損迅速。盡管樹脂結合劑剛玉砂輪的耐熱性較差,但卻能得到最佳的淬硬效果。
 
工藝穩定性 
       一種新工藝的應用前提是應保證其具有良好的工藝穩定性和結果再現性。為考察磨削淬硬工藝的結果再現性,研究人員在相同條件下對10個試件進行了磨削淬硬試驗,其結果再現性令人滿意。為考察磨削淬硬工藝的工藝穩定性,德國的Pfeifer.T在工藝條件不變的前提下進行了50次磨削淬硬試驗,定義磨削淬硬層深度的下限為0.85mm,上限為1.2mm,計算得出的工藝穩定性指數cp=1.27, cpk= 1.03,由于兩個指數均大于1,表明磨削淬硬工藝是可行的和可控制的。磨削淬硬工藝結果按高斯分布且在公差之內,說明磨削淬硬工藝具有滿意的工藝穩定性。但對砂輪規格等影響因素尚需做進一步的研究。
 
磨削淬硬表面的耐磨性 
  從淬硬表面的硬度和殘余應力分布來看,磨削淬硬加工完全能滿足工藝要求,但還應對磨削淬硬零件的使用性能進行評價。為此,對磨削淬硬零件進行了摩擦學試驗以確定其耐磨性。試驗采用剛玉球與圓盤對磨,試驗中不加任何潤滑劑,觀察磨削淬硬鋼盤相對非淬硬鋼盤的耐磨性改善情況。試驗表明,非淬硬鋼盤表面的快速磨損明顯,加載后僅30分鐘磨損量已達24?m ;而30分鐘后磨削淬硬鋼盤表面的磨損量仍很小,僅有4.5m ,可見磨削淬硬工藝使零件表面的耐磨性顯著提高。因此,磨削淬硬將是感應淬火、火焰淬火和激光淬火較理想的替代工藝。
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