專利名稱：基于磨削的表面淬火工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種磨削淬硬加工工藝，特別是涉及一種基于磨削的表面淬火工藝，屬于磨削加工與表面淬火集成制造技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在機(jī)電零件的制造過程中，為了改善材料的性能、提高零件的耐磨性和疲勞強(qiáng)度，并保證零件的整體韌性，常需對(duì)其進(jìn)行表面熱處理。熱處理后的零件為了獲得預(yù)定的加工精度和表面質(zhì)量，通常需要進(jìn)行磨削加工。然而，現(xiàn)行的機(jī)械制造流程尚存在以下問題(1)機(jī)械加工與表面熱處理難以實(shí)現(xiàn)工序集中，影響和制約了加工自動(dòng)化程度的提高；(2)磨削加工過程中所產(chǎn)生的熱、機(jī)械作用將損傷零件的表面質(zhì)量并影響其使用性能；(3)常規(guī)的表面熱處理工藝增加了專用熱處理設(shè)備及人員的投入、資源與能源的消耗以及熱處理排放物對(duì)生態(tài)環(huán)境的污染。因此，如何科學(xué)地利用磨削加工過程中所產(chǎn)生的熱效應(yīng)，并在實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工與表面淬火集成制造的基礎(chǔ)上減少熱處理工藝的能耗與污染，成為國內(nèi)外機(jī)械工程專家和學(xué)者們關(guān)注的工藝技術(shù)重點(diǎn)研究問題之一。
所謂磨削淬硬是利用磨削加工過程中產(chǎn)生的熱、機(jī)械作用直接對(duì)工件進(jìn)行表面淬火的切削加工新技術(shù)。它不僅從源頭上有效地避免了磨削加工過程中的熱作用可能對(duì)已淬硬表面造成的損傷，改變了磨削熱的消極作用并實(shí)現(xiàn)了磨削加工與表面淬火的集成；而且磨削淬硬后的零件表面淬硬層可達(dá)到感應(yīng)淬火、滲氮、噴丸、激光表面淬火等表面熱處理工藝的效果，從而減少了熱處理設(shè)備及人員的投入、資源與能源的消耗以及環(huán)境的污染。通過對(duì)液壓馬達(dá)配送盤及電機(jī)電樞軸兩種零件的評(píng)估表明，采用磨削淬硬工藝可降低加工費(fèi)用10％～50％。由此可見，磨削淬硬加工技術(shù)在金屬材料的磨削加工及表面改性方面具有十分廣闊的應(yīng)用前景，并將帶來了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益和顯著的社會(huì)效益，已成為變“廢”為“寶”及實(shí)現(xiàn)綠色加工的有效途徑之一。20世紀(jì)90年代中期以來，工業(yè)發(fā)達(dá)國家相繼開展了磨削淬硬加工技術(shù)的研究，并取得了若干創(chuàng)新成果。
在磨削加工技術(shù)領(lǐng)域，人們普遍認(rèn)為，磨削過程中產(chǎn)生的磨削熱、機(jī)械作用極易引起工件已淬硬表層的損傷。因此，國外有關(guān)磨削淬硬加工技術(shù)的研究主要采用單程切入式磨削方式。然而，采用單程切入式磨削時(shí)，由于砂輪切入和切出過程中磨削深度的變化，導(dǎo)致磨削熱量以及工件表層加熱溫度發(fā)生變化，進(jìn)而使得工件上砂輪切入段與切出段的淬硬層深度發(fā)生變化，直接影響工件表面淬硬層深度的均勻性，嚴(yán)重制約了磨削淬硬工藝的工程應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種工件表面淬硬層的性能及其深度均勻的基于磨削的表面淬火工藝。該工藝具有工藝簡(jiǎn)單、成本低廉、工序集中、符合實(shí)際生產(chǎn)要求的優(yōu)點(diǎn)。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是磨削加工設(shè)備采用平面磨床。砂輪采用陶瓷結(jié)合劑的白剛玉或棕剛玉砂輪、砂輪粒度在46#～100#之間，砂輪硬度在K～M之間。工件材料采用國內(nèi)外常用的表面淬火鋼，包括中、高碳素結(jié)構(gòu)鋼和中碳合金鋼等；其預(yù)處理狀態(tài)為調(diào)質(zhì)態(tài)、回火態(tài)或退火態(tài)，工件材料硬度在20～35HRC之間。
磨削條件采用切入式磨削和往復(fù)磨削方式、磨削速度在20m/s～35m/s之間，磨削深度在0.2mm～1.0mm之間、工件進(jìn)給速度在0.2m/min～1.4m/min之間、冷卻方式為干式空冷。
往復(fù)磨削方式采用“逆磨+順磨+逆磨……+逆磨”、“順磨+逆磨+順磨……+逆磨”、“逆磨+順磨+逆磨……+順磨”或“順磨+逆磨+順磨……+順磨”等組合方式，磨削行程數(shù)在2次～10次之間。
采用上述方案后，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)(1)本發(fā)明采用往復(fù)磨削方式，由于第二次磨削屬于淬硬鋼磨削，磨削過程中發(fā)熱量較大；加之往復(fù)磨削時(shí)砂輪和工件的熱積累，磨削溫度升高，從而導(dǎo)致往復(fù)磨削的工件表面淬硬層的深度及其均勻性均得到提高；同時(shí)，還使工件表面淬硬層的顯微硬度和耐磨性高于單程磨削表面淬火層。
(2)利用未淬硬鋼工件粗磨過程中產(chǎn)生的磨削熱直接對(duì)其進(jìn)行表面淬火，既可有效地避免了磨削熱可能對(duì)已淬硬表面造成的損傷，改變了磨削熱的消極作用，又能實(shí)現(xiàn)了磨削加工與表面淬火的集成制造，減少零件的加工工序；(3)利用未淬硬鋼工件粗磨過程中產(chǎn)生的磨削熱直接對(duì)其進(jìn)行表面淬火，既可減少熱處理設(shè)備及人員等的投入，又能減少資源與能源的消耗以及環(huán)境的污染，促進(jìn)機(jī)械制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展；(4)所述的基于磨削的表面淬火工藝不僅可以保證工件表面層具有馬氏體為主的淬硬組織，而且存在與高頻感應(yīng)淬火層相似的殘余壓應(yīng)力狀態(tài)；(5)所述的基于磨削的表面淬火工藝引入方便，投資小，在普通平面磨床上采用實(shí)際生產(chǎn)中常用的砂輪即可實(shí)現(xiàn)。
下面結(jié)合附表、附圖和具體實(shí)例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
附表說明表1是本發(fā)明具體實(shí)例中所采用的不同磨削組合的試樣編號(hào)表；表2是本發(fā)明具體實(shí)例中工件表面不同位置處的淬硬層深度列表。


圖1A是本發(fā)明的1#工件表面淬硬層顯微組織圖；圖1B是本發(fā)明的3#工件表面淬硬層顯微組織圖；圖2是本發(fā)明的工件表面淬硬層顯微硬度發(fā)布曲線圖；圖3是本發(fā)明的工件表面淬硬層深度飽和值比較圖；圖4是本發(fā)明的工件表面淬硬層殘余應(yīng)力分布曲線圖；圖5是本發(fā)明的工件表面淬硬層耐磨性試驗(yàn)結(jié)果比較圖。
具體實(shí)施方法磨削加工設(shè)備采用M7130型臥軸矩臺(tái)平面磨床，工件材料采用國內(nèi)表面淬火常用鋼——40Cr鋼，預(yù)處理狀態(tài)為調(diào)質(zhì)態(tài)，硬度值為28～32HRC。砂輪采用陶瓷結(jié)合劑的白剛玉平面砂輪、砂輪粒度為46#，硬度為L(zhǎng)，尺寸為350(外徑)×40(寬度)×127(內(nèi)徑)。實(shí)施例1采用雙程往復(fù)磨削表面淬硬加工，磨削速度為26.3m/s、磨削深度為0.5mm、工件進(jìn)給速度為1.3m/min，冷卻方式為空冷。
實(shí)施例2采用雙程往復(fù)磨削表面淬硬加工，磨削速度為20.3m/s、磨削深度為0.2mm、工件進(jìn)給速度為0.2m/min，冷卻方式為空冷。
實(shí)施例3采用雙程往復(fù)磨削表面淬硬加工，磨削速度為34.3m/s、磨削深度為1mm、工件進(jìn)給速度為1.2m/min，冷卻方式為干式空冷。
實(shí)施例4采用雙程往復(fù)磨削表面淬硬加工，磨削速度為30m/s、磨削深度為0.8mm、工件進(jìn)給速度為0.8m/min，冷卻方式為干式空冷。
本發(fā)明的雙程往復(fù)磨削表面淬硬加工與習(xí)用的單程切入式磨削表面淬硬加工工藝實(shí)施結(jié)果對(duì)比
具體實(shí)例采用雙程往復(fù)磨削表面淬硬和單程切入式磨削加工，并對(duì)其磨削行程及磨削方式進(jìn)行組合，組合方式及對(duì)應(yīng)的的試樣編號(hào)見表1。
表1不同磨削組合的試樣編號(hào)

圖1是工件表面淬硬層顯微組織。由圖可見，與單程切入式磨削相比，往復(fù)磨削的表面淬硬層組織及其形貌并無顯著變化，兩者的組織均是以板條馬氏體為主、并有少量未溶碳化物的淬硬組織。
圖2是工件表面淬硬層顯微硬度的發(fā)布曲線。由圖可見，單程磨削表面淬硬層和雙程往復(fù)磨削表面淬硬層的顯微硬度沿淬硬層深度方向具有相同的變化趨勢(shì)。在高硬度區(qū)，單程磨削表面淬硬層的平均硬度值為670HV，略低于雙程往復(fù)磨削表面淬硬層的700HV。
圖3是工件表面淬硬層深度飽和值。由圖可見，3#、4#試樣的淬硬層深度飽和值均分別較1#、2#試樣的淬硬層深度飽和值增加約0.1mm。而且，往復(fù)磨削的工件表面淬硬層深度主要取決于其第2次磨削時(shí)所采用的磨削方式，即逆磨或順磨。
表2是工件表面不同位置處的淬硬層深度。由表可見，在雙程往復(fù)磨削表面淬硬層中，砂輪切入端的淬硬層深度最小值與飽和值深度僅相差0.1mm；在單程磨削表面淬硬層中，砂輪切入端的淬硬層深度最小值與飽和值深度的差值高達(dá)0.85mm。參照文獻(xiàn)“中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)熱處理學(xué)會(huì)，《熱處理手冊(cè)》編委會(huì)編.熱處理手冊(cè)-熱處理質(zhì)量控制和檢驗(yàn)(第3版).北京機(jī)械工業(yè)出版社，2002”中的“感應(yīng)加熱表面淬火有效硬化層深度波動(dòng)范圍”可知，雙程往復(fù)磨削的表面淬硬層深度符合其給出的深度波動(dòng)范圍(即單件有效硬化層深度≤1.5mm時(shí)，深度波動(dòng)范圍不大于0.2mm)。
圖4是工件表面淬硬層殘余應(yīng)力分布曲線圖。由圖可見，單程磨削表面淬硬層和雙程往復(fù)磨削表面淬硬層的殘余應(yīng)力沿淬硬深度方向具有與高頻感應(yīng)淬火層相似的分布狀態(tài)，且均為殘余壓應(yīng)力。其中，雙程往復(fù)磨削表面淬硬層表面的殘余壓應(yīng)力為-336Mpa，最大殘余壓應(yīng)力-367Mpa，壓應(yīng)力作用深度約0.75mm。
圖5是工件表面淬硬層耐磨性試驗(yàn)結(jié)果。由圖可見，在加載30min后，1#、3#試樣的磨損量分別為0.0039g和0.0027g；而且在整個(gè)試驗(yàn)過程中，3#試樣的磨損量始終小于1#試樣。其中，在加載120min后，3#試樣耐磨性較1#試樣提高了20％。
表2工件表面不同位置處的淬硬層深度(mm)

本發(fā)明的重點(diǎn)在于采用雙程或多程往復(fù)磨削方式，不僅可提高工件表面淬硬層的顯微硬度和淬硬層深度，更重要的是可以大大提高工件表面淬硬層深度的均勻性，使其完全滿足實(shí)際生產(chǎn)的要求。
故，凡采用平面磨床、陶瓷結(jié)合劑砂輪并采用往復(fù)磨削方式和粗磨用量對(duì)表面淬火常用鋼進(jìn)行表面淬火皆屬本發(fā)明保護(hù)的范圍。
權(quán)利要求
1.基于磨削的表面淬火工藝，其特征在于采用切入式磨削和往復(fù)磨削方式，磨削速度在20m/s～35m/s之間，磨削深度在0.2mm～1.0mm之間、工件進(jìn)給速度在0.2m/min～1.4m/min之間，冷卻方式為干式空冷。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于磨削的表面淬火工藝，其特征在于所述的往復(fù)磨削方式的磨削行程數(shù)在2次～10次之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于磨削的表面淬火工藝，其特征在于所述的工件材料采用國內(nèi)外常用的表面淬火鋼，包括中、高碳素結(jié)構(gòu)鋼和中碳合金鋼等；其預(yù)處理狀態(tài)為調(diào)質(zhì)態(tài)、回火態(tài)或退火態(tài)，工件材料硬度在20～35HRC之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于磨削的表面淬火工藝，其特征在于磨削所用的砂輪采用陶瓷結(jié)合劑的白剛玉或棕剛玉砂輪，砂輪粒度在46#～100#之間，砂輪硬度在K～M之間。
全文摘要
本實(shí)用新型公開了一種基于磨削的表面淬火工藝，采用切入式磨削和往復(fù)磨削方式，磨削速度在20m/s～35m/s之間，磨削深度在0.2mm～1.0mm之間、工件進(jìn)給速度在0.2m/min～1.4m/min之間，冷卻方式為干式空冷。本發(fā)明采用往復(fù)磨削方式，由于第二次磨削屬于淬硬鋼磨削，磨削過程中發(fā)熱量較大；加之往復(fù)磨削時(shí)砂輪和工件的熱積累，磨削溫度升高，從而導(dǎo)致往復(fù)磨削的工件表面淬硬層的深度及其均勻性均得到提高；同時(shí)，還使工件表面淬硬層的顯微硬度和耐磨性高于單程磨削表面淬火層。
文檔編號(hào)B24B1/00GK1970797SQ20061013528
公開日2007年5月30日 申請(qǐng)日期2006年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月4日
發(fā)明者劉菊東, 王貴成, 許志龍, 陳康敏, 侯達(dá)盤, 王大鎮(zhèn), 皮鈞, 曾偉民, 張玉周 申請(qǐng)人:集美大學(xué), 江蘇大學(xué)