預(yù)加熱磨削強(qiáng)化均勻性實(shí)驗(yàn)研究

黃向明 吳為 任瑩暉 李通

摘 要：針對磨削強(qiáng)化過程中磨削強(qiáng)化層沿工件磨削方向分布不均勻以及磨削后工件表面產(chǎn)生變形的情況，提出了一種基于溫度補(bǔ)償?shù)哪ハ鲝?qiáng)化層均勻性改善方法.通過銅電極對工件導(dǎo)電加熱，并在工件切入端安裝304不銹鋼墊片，通電后形成串聯(lián)的閉合回路.利用304不銹鋼的電阻率大，導(dǎo)熱系數(shù)小的特性，在預(yù)加熱條件下工件切入端形成局部高溫，達(dá)到對工件切入端進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)哪康?，從而提高切入端的磨削?qiáng)化層深度，進(jìn)而提高工件磨削強(qiáng)化層深度分布的均勻性.實(shí)驗(yàn)中研究了預(yù)加熱溫度和304不銹鋼厚度對磨削強(qiáng)化層分布和工件變形情況的影響規(guī)律.實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明：磨削力和工件磨削強(qiáng)化層深度隨著預(yù)加熱溫度升高而增加；隨著工件磨削切入端所加不銹鋼墊片厚度的增加，磨削后工件變形減少，同時(shí)沿工件磨削方向磨削強(qiáng)化層深度分布的均勻性相應(yīng)提高.

關(guān)鍵詞：磨削強(qiáng)化；溫度補(bǔ)償；均勻性；工件變形

中圖分類號：TG580.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract：In this paper， referring to the uneven distribution of the grinding harden layer along the grinding direction and the deformation of the workpiece surface after grinding， a kind of grinding method was put forward based on the temperature compensation to improve the uniformity of the grinding harden layer. The workpiece was electrically heated by a copper electrode with a 304 stainless steel gasket mounted at the cutin zone of the workpiece， and a closed loop was formed after electrifying. Because the 304 stainless steel is of the high resistivity and low thermal conductivity， the high temperature on the cutin zone appeared. Thus， the increased harden layer was formed on the cutin zone， and the uniformity for the grinding harden layer distribution can be also improved. The distribution of grindhardening layer and the workpiece deformation were studied under the different preheating temperature and different thickness of the 304 stainless steel. The results show that the grinding force and the grinding harden layer depth can be increased under the preheating condition. With the increasing thickness of the stainless steel gasket at the cutin zone of the workpiece， the deformation of the ground workpiece is reduced. At the same time， the uniformity for the harden layer depth distribution is also improved.

Key words：grindhardening； temperature compensation； uniformity； workpiece deformation

磨削表面強(qiáng)化技術(shù)是集成磨削與熱處理于一體的復(fù)合加工技術(shù)，它是利用磨削過程中產(chǎn)生的熱量對工件表面進(jìn)行強(qiáng)化處理，在力熱相變的耦合作用下實(shí)現(xiàn)表面強(qiáng)化，從而提高工件表面的強(qiáng)度、硬度和耐磨性[1].磨削強(qiáng)化過程省去了熱處理工藝，且在磨削強(qiáng)化過程中產(chǎn)生的磨削強(qiáng)化層有助于提高工件的疲勞強(qiáng)度和抗摩擦磨損性能.因而有必要對磨削強(qiáng)化工藝進(jìn)行研究.

磨削強(qiáng)化工藝由德國Brinksmeier和Brokchoff首次提出[2]，隨后國內(nèi)外學(xué)者對磨削強(qiáng)化工藝及強(qiáng)化層均勻性方面進(jìn)行了研究.郭瑜等[3]將磨削過程分為切入段、中間段和切出段，并結(jié)合有限元溫度仿真分析了磨削強(qiáng)化層沿工件磨削方向上的分布情況.相關(guān)研究得出，磨削后磨削強(qiáng)化層沿工件磨削方向深度分布不均勻，主要表現(xiàn)在磨削強(qiáng)化后工件切入端磨削強(qiáng)化層深度較淺，而中間和切出端磨削強(qiáng)化層分布較深[4-8].磨削過程中會產(chǎn)生大量的熱量，從而引起工件熱變形，相關(guān)研究表明，由于磨削過程中的熱變形導(dǎo)致磨削后工件呈現(xiàn)凹形[9-12].工件熱變形的變化會導(dǎo)致磨削力的變化，從而改變流入工件的熱流密度，影響磨削溫度場，最終導(dǎo)致磨削強(qiáng)化層分布不均勻.上述研究雖取得了一系列的成果，但有關(guān)改善工件磨削強(qiáng)化層均勻性和減小工件變形的研究相對較少.本文以平面磨削強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，并結(jié)合預(yù)加熱磨削強(qiáng)化方法[12]，利用304不銹鋼電阻率大、導(dǎo)熱系數(shù)小的特點(diǎn)，將其放置在工件切入端，實(shí)現(xiàn)切入端溫度補(bǔ)償，研究磨削后沿工件磨削方向強(qiáng)化層深度分布均勻性及工件變形，進(jìn)而探索出提高工件磨削強(qiáng)化層均勻性和減少工件變形的有效方法，為該工藝的工程實(shí)際應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)依據(jù).

1 實(shí)驗(yàn)條件與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置及材料

預(yù)加熱磨削實(shí)驗(yàn)裝置圖見圖1和圖2.通過低壓直流電源（8V）對工件進(jìn)行加熱，工件的兩端是銅電極加熱裝置，銅電極和工件與夾具之間緊貼著云母片，目的在于隔熱和絕緣，防止銅電極和工件與夾具直接接觸千分表，從而將大量熱量傳入夾具，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果.工件的切出端直接與銅電極接觸，工件切入端通過不同厚度的304不銹鋼與銅電極接觸，保證電源從銅電極的正極流向負(fù)極，形成閉合回路.通過調(diào)節(jié)電源電流的大小來控制加熱溫度，并用熱電偶測量工件切入端、中間處和切出端三個(gè)位置的溫度，通過熱電偶、信號放大采集器以及溫度數(shù)顯儀表來測量工件加熱溫度并控制直流電源.夾具下端安裝三向壓電晶體測力儀（Kistler9257B），采樣頻率為5 000 Hz，實(shí)時(shí)測量磨削過程的磨削力.

實(shí)驗(yàn)材料為40Cr，其化學(xué)成分見表1，工件的長寬高分別為60 mm×12 mm×20 mm.工件在實(shí)驗(yàn)之前進(jìn)行去應(yīng)力退火處理，材料的平均硬度為HV250.實(shí)驗(yàn)用的砂輪為CBN砂輪，其直徑400 mm，粒度100，結(jié)合劑為陶瓷結(jié)合劑，采用單顆粒金剛石筆修整砂輪.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法及加工參數(shù)

實(shí)驗(yàn)是在MKL7132成型磨床上進(jìn)行的，磨削工藝參數(shù)如表2所示.實(shí)驗(yàn)分為4組，A組為常溫磨削、B組為預(yù)加熱溫度為200 ℃條件下磨削、C組為預(yù)加熱溫度為200 ℃且工件切入端放置厚度為2 mm 的304不銹鋼墊片條件下磨削、D組為預(yù)加熱溫度為200 ℃且工件切入端放置厚度為6 mm的304不銹鋼墊片條件下磨削.磨削前接通電源對工件進(jìn)行加熱，當(dāng)工件中間位置的溫度達(dá)到200 ℃時(shí)，即表2中提到的預(yù)加熱溫度為200 ℃，斷開電源進(jìn)行磨削.

表3為工件切入端、中間位置及切出端的溫度值.由于在對工件加熱過程中會產(chǎn)生熱膨脹，從而影響實(shí)際的磨削深度，因此為了使所有的工件實(shí)際磨削深度一致，先對工件加熱至實(shí)驗(yàn)所需溫度，然后用千分表測出工件中間位置的熱變形量，用實(shí)際磨削深度減去熱變形量就是砂輪需要進(jìn)給的深度，從而保證了實(shí)驗(yàn)中所有工件磨削深度的一致性.

工件磨削完后，先用螺旋測微器測出沿工件磨削方向上工件磨削表面八個(gè)位置的變形值，然后用電火花線切割機(jī)沿工件長度方向上切取4個(gè)15 mm×5 mm×4 mm的試樣，最后用XQ2B鑲嵌機(jī)進(jìn)行鑲嵌.將鑲嵌好的工件用砂紙進(jìn)行打磨并用金相拋光機(jī)拋光后，用4%的硝酸酒精溶液腐蝕其表面，待工件表面干燥后，通過金相顯微鏡觀察磨削強(qiáng)化層組織，采用HV1000維氏顯微硬度計(jì)測量磨削強(qiáng)化層的顯微硬度，并測量工件沿長度方向上的磨削強(qiáng)化層深度.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 磨削力

圖3是四組實(shí)驗(yàn)的切向磨削力Ft隨時(shí)間變化的對比圖.從圖中可以看出，在切入段磨削力從零逐漸增加，這是因?yàn)樵谇腥攵蝺?nèi)（t=0到t=0.9 s），砂輪從剛接觸工件開始，實(shí)際的磨削深度是逐漸增加的，導(dǎo)致在第一個(gè)接觸弧長內(nèi)磨削力增大[13].

在中間階段（t=0.9 s到t=4 s）磨削力也是逐漸增加，這主要是由于磨削熱的增加導(dǎo)致磨削溫度升高后，工件的熱變形增加，從而導(dǎo)致工件的實(shí)際磨削深度增加.在中間階段后期（t=4 s到t=6 s）由于磨削溫度和磨削變形基本趨于穩(wěn)定狀態(tài)，因此，磨削力亦基本趨向于穩(wěn)定狀態(tài).切出階段（t=6 s到t=6.9 s），由于實(shí)際磨削深度降低導(dǎo)致磨削力在該時(shí)間段內(nèi)迅速減小.預(yù)加熱條件下的中間階段磨削力要比常溫磨削條件下的磨削力大，這主要是因?yàn)轭A(yù)熱溫度的升高，引起未磨區(qū)溫度升高，工件整體的熱變形相比常溫磨削增加，同時(shí)磨削高溫也會影響到砂輪磨損，從而導(dǎo)致磨削力增加.

同時(shí)從圖3可知， C和D兩組實(shí)驗(yàn)切入端切向磨削力均大于A和B兩組實(shí)驗(yàn).由于預(yù)加熱導(dǎo)致不同區(qū)域的溫度變化，從表3可知C和D組預(yù)加熱溫度在切入端最高，因此其熱變形增加，導(dǎo)致在切入端實(shí)際磨削深度相應(yīng)增加，從而使得其切向磨削力增加.

2.2 磨削強(qiáng)化層深度分布

磨削強(qiáng)化層深度分布的不均勻性主要表現(xiàn)在磨削切入?yún)^(qū)磨削強(qiáng)化層很淺，而在中間磨削穩(wěn)定區(qū)域和切出階段磨削強(qiáng)化層深度明顯增大.本文主要通過四組對比實(shí)驗(yàn)來比較沿工件磨削方向磨削強(qiáng)化層深度分布的均勻性.

圖4是四組實(shí)驗(yàn)工件磨削強(qiáng)化層深度分布情況實(shí)物圖，即將沿工件長度方向上切取的4個(gè)試樣（長度15 mm）鑲嵌后用4%的硝酸酒精溶液腐蝕其表面所得到的磨削強(qiáng)化層深度分布情況實(shí)物圖.從圖可以看出A組即常溫條件下切入端的磨削強(qiáng)化層相對比較淺，而通過預(yù)加熱以及增加不銹鋼墊片能提高磨削強(qiáng)化層深度和均勻性.

圖5為四組實(shí)驗(yàn)工件切入端和切出端的金相組織圖，其中上面較細(xì)密的組織結(jié)構(gòu)部分為磨削強(qiáng)化層，下面較粗大的組織結(jié)構(gòu)為基體.

通過金相顯微鏡的測量工具并結(jié)合維氏硬度計(jì)測量組織的微觀硬度，當(dāng)微觀硬度值超過HV500即為磨削強(qiáng)化層[14]，其沿工件磨削方向磨削強(qiáng)化層深度分布的情況如圖6所示.

由圖6可知，B、C、D三組實(shí)驗(yàn)的磨削強(qiáng)化層深度都要高于常溫磨削的強(qiáng)化層深度，說明預(yù)加熱磨削能提高磨削后工件強(qiáng)化層深度.預(yù)加熱磨削條件下由于其切向磨削力增加導(dǎo)致其磨削熱比常溫磨削要大，因而在預(yù)加熱溫度和磨削熱的綜合作用下增加了工件表面的總能量，導(dǎo)致表面及次表面的溫度升高[12]，使得工件表層金屬達(dá)到淬火相變溫度 Ac3以上的區(qū)域變深，磨削強(qiáng)化層深度增加.

A和B兩組實(shí)驗(yàn)?zāi)ハ鲝?qiáng)化層沿工件磨削方向深度分布規(guī)律趨于一致，都是在切入端磨削強(qiáng)化層深度較淺，隨著磨削加工過程進(jìn)行，磨削強(qiáng)化層深度逐漸增加并在中間處趨于穩(wěn)定，在切出端強(qiáng)化層又稍微增加.其中常溫磨削條件下磨削強(qiáng)化層的均勻性最差.原因在于在砂輪切入階段（一個(gè)接觸弧長），實(shí)際的磨削深度是從零到理論磨削深度逐漸增加，磨削開始階段傳入工件的熱量較少，使得切入端的工件表層金屬達(dá)到淬火相變溫度Ac3以上的區(qū)域較淺，因此，工件切入端磨削強(qiáng)化層深度較小.隨著磨削加工的進(jìn)行，磨削理論深度趨于穩(wěn)定，但由于工件的熱膨脹現(xiàn)象，使得實(shí)際磨削深度增大，磨削溫度升高，導(dǎo)致磨削強(qiáng)化層深度增大.在中間階段后期，磨削溫度基本穩(wěn)定，因此，磨削力和磨削強(qiáng)化層深度也基本趨于穩(wěn)定.在砂輪切出階段，由于實(shí)際磨削深度的減少，磨削熱量會相應(yīng)減少，但磨削熱受工件端面邊界絕熱的影響，熱量傳遞受阻并聚集于其末端，當(dāng)熱量聚集的影響超過磨削深度減小對熱量的影響時(shí)，磨削溫度會升高，從而導(dǎo)致磨削強(qiáng)化層深度也會相應(yīng)增加.C、D兩組實(shí)驗(yàn)相對A、B來說，工件切入端磨削強(qiáng)化層深度提高，原因在于304不銹鋼的電阻率相對銅電極和工件要高，從而溫度上升快，如表3所示，并且不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)相對偏低，其導(dǎo)熱性能低于工件，因而工件自身的熱量不易向不銹鋼傳遞，從而在切入端局部形成高溫.工件切入端溫度高、熱膨脹大，切入端實(shí)際磨削深度會增加，在預(yù)加熱和磨削熱的共同作用下，工件切入端達(dá)到淬火相變溫度Ac3以上的區(qū)域變深，磨削強(qiáng)化層深度增大.實(shí)驗(yàn)中D組切入端磨削強(qiáng)化層深度為最大，基本跟中間、切出階段值相當(dāng)，原因在于在不銹鋼墊片側(cè)面不變的情況下，厚度越大，電阻越大，在保證中間段相同溫度情況下（200 ℃），6 mm的不銹鋼墊片比2 mm的不銹鋼墊片產(chǎn)熱更多，從而對工件切入端溫度補(bǔ)償效果更好，因此，在工件的切入端加入不銹鋼墊片能增加工件切入端的磨削強(qiáng)化層深度，從而改善磨削后沿工件磨削方向強(qiáng)化層深度分布的均勻性.

2.3 工件變形

磨削強(qiáng)化過程中會產(chǎn)生大量的熱量，這就使得在平面磨削強(qiáng)化工件時(shí)，磨削熱力作用會引發(fā)工件的變形[9]，從而影響實(shí)際磨削深度，已有研究表明由于熱變形導(dǎo)致磨削后工件呈現(xiàn)凹形[11]，這是由于磨削過程中磨削熱沿工件磨削方向分布不均勻，引起工件未磨削區(qū)向上膨脹變形，使得磨削時(shí)實(shí)際磨削深度增大，造成磨削后工件出現(xiàn)尺寸偏差.磨削深度的變化會引起切向磨削力的變化，從而流入工件的熱流量也發(fā)生變化，最終導(dǎo)致磨削強(qiáng)化層的不均勻.實(shí)驗(yàn)中采用螺旋測微器沿著工件磨削方向依次測量磨削表面各點(diǎn)到工件底面的距離，用各測量得到的距離值分別減去第一點(diǎn)的距離L1，即可得到沿工件磨削方向不同位置的變形量.圖9是磨削后各工件沿工件長度方向的工件變形情況.

從圖7可以看出，常溫磨削條件下的工件其磨削后變形呈凹形，且變形比較大，這與已有研究結(jié)果相符合.B、C組工件變形也為凹形，但其變形量比A組工件要小，原因在于B、C組實(shí)驗(yàn)均為預(yù)加熱條件下磨削，對于B、C組工件來說，銅電極直接與工件的兩端接觸對其加熱，這就使得工件的切入端溫度相對中間處偏高，從而熱膨脹增大，磨削時(shí)在磨削熱與預(yù)加熱的共同作用下，砂輪實(shí)際磨削深度相對常溫磨削增大，減小了與工件中間區(qū)域磨削深度的差距，從而磨削后工件變形相對減小.D組的工件變形比其他三組明顯減小且磨削后工件有略微向上凸起的趨勢.這說明工件切入端熱變形明顯增大了，導(dǎo)致切入端去除量過多，磨削后工件有向上凸起的趨勢.從圖7中的結(jié)果可以看出，較厚的不銹鋼因其電阻較大，產(chǎn)熱多，溫度補(bǔ)償效果好，其磨削后工件變形也相對較小.

3 結(jié) 論

通過預(yù)加熱磨削強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)，利用304不銹鋼的特性，對工件的切入端進(jìn)行溫度補(bǔ)償，實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明：

1）對工件進(jìn)行預(yù)加熱磨削，能提高磨削后工件磨削強(qiáng)化層深度.

2）在工件的切入端加304不銹鋼能提高沿工件磨削方向強(qiáng)化層深度分布的均勻性，隨著不銹鋼厚度適當(dāng)?shù)脑黾樱洚a(chǎn)熱越多，沿工件磨削方向上磨削強(qiáng)化層的均勻性越好.

3）常溫磨削后工件呈現(xiàn)凹形，預(yù)加熱磨削相對常溫磨削工件變形要小，在切入端加304不銹鋼墊片且適當(dāng)增加不銹鋼墊片厚度能減少工件變形.

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