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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AISI615
15、0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
16、. 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。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
17、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）。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（磨削的表面粗糙度在0.1到0.16的范围
18、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
19、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。参考文献1 Des Ruisseaux
20、N.R., ZerkleR.D., Thermal analysis of the grinding process, Trans. ASME J. Eng. Ind., 92 (1970) 428432. 2 ShawM.C., VyasA., Heat affected zones in grinding of steels, Ann. CIRP, 43/1 (1994) 571581. 3 ShawM.C. Fundamentals of grinding, New Developments in Grinding, ShawM.C.Carnegic Press, 1972. 4 Guo
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25、s and Manufacturing Processes , Volume 18 , Issue 2 Experimental Studies on the Grind-Hardening Effect in Cylindrical GrindingV. S. K. Venkatachalapathy *Corresponding B. Rajmohan *CorrespondingV. S. K. Venkatachalapathy*Send correspondence to: rajmohan51mitindia.edu Department of Mechanical Enginee
26、ringV.R.S. College of Engineering & TechnologyArasur Villupuram (Dt.) Tamil Nadu India Search ALL works by V. S. K. Venkatachalapathy B. Rajmohan*Send correspondence to: rajmohan51mitindia.edu Department of Production Technology MIT, Anna UniversityChromepet Chennai Tamil Nadu India Search ALL works
27、 by B. Rajmohan AbstractIn recent years high-strength and high-temperature alloys are used for structural and other applications. These newer high-performance materials are inherently “more difficult to machine” and also necessitate the need for higher dimensional and geometrical accuracy. Grinding
28、is one of the most familiar and common abrasive machining processes used for the finishing operation. Compared to other machining processes such as turning, milling, etc., the specific energy developed during grinding is very high. At a critical level of specific grinding energy, the temperature ris
29、e (1) experienced by the workpiece may be such that thermal damage is induced. Heat damage induced by the grinding process is well documented and may be categorized by temper colors that are at least unsightly and probably indicative of more serious damage, including thermal cracks, tempered zone, e
30、tc., (2) which can lead to catastrophic failure of critical machine parts that shortens the life of products subject to cyclic loading. In this work, a new heat treatment process called “grind hardening” and a mathematical model are introduced, and this work deals with how the in-process energy in g
31、rinding can be effectively utilized to improve the surface hardness and surface texture, and also to prevent damages. An experimental study has also been carried out in grinding AISI 6150 and AISI 52100 steels with an alumina wheel, and the results are discussed.Keywords Cylindrical grinding, Grindi
32、ng heat, Partition ratio, Surface texture, Surface hardening1 Introduction Grinding is a versatile and also final machining process in the production of components requiring close dimensional tolerances, geometrical accuracies, and a smooth surface finish. There are no processes that can compete wit
33、h grinding for precision machining operations. It is a major manufacturing process that accounts for about 25% of the total expenditure on machining operations in industrialized countries. Almost all products have either been machined by grinding at some stage of their production or have been proces
34、sed by machines, which owe their precision to abrasive operations.Grinding removes metal from the workpiece in the form of small chips by the mechanical action of abrasive particles bonded together in a grinding wheel. However, it is a slow way to remove the stock, thus other methods are used to bri
35、ng the work quite close to its required dimensions and then the work is ground to achieve the desired finish. With the advent of abrasive machining, grinding is also accepted as a dependable process for higher material removal rates. Parts can now be produced more economically by this process to the
36、 size and finish that is not possible by any other method. Grinding often permits heavy stock removal and good finish on the same machine, even without changing wheels. (3) In the past, many scientists investigated the dissipation of heat in grinding and the resulting influence on the surface finish
37、 of the workpiece. Depending on the grinding conditions, the heat flux mainly takes part via the workpiece and leads to a large thermal loading in the surface. This thermal load is superimposed by a mechanical load, causing a high temperature in the surface. This thermomechanical load may cause some
38、 undesired alterations in the surface layer like cracks, tempered zones, or white etching areas (WEA). If the material in the surface layer is heated above the upper critical temperature (910C) during grinding, diffusion and phase transformation take place. Shaw and Vyas gave an impressive theoretic
39、al description of metallurgical damages in ground surfaces. (2) Under abusive grinding conditions, the formation of a heat affected zone (HAZ), which damages the ground surface, was observed. (4) A thermally damaged component may, therefore, incur a significant cost to the manufacturer in failing a
40、quality standard.The aim of most investigations was the prediction of undesired alterations in order to avoid thermal damages when grinding hardened steels. In any case, the quantities of generated heat in grinding are considered as a restricting factor.By summarizing todays experience in heat treat
41、ment and grinding, three important limitations can be identified:iThere are many heat-treatment processes for surface hardening, like induction hardening, case hardening process, etc., but they are very difficult to integrate into the production line,iiThese surface-hardening processes cannot be don
42、e perfectly as in the case of irregular- and contour-shaped objects andiiiSubsequent to heat treatment, structural parts are subjected to grinding, in the course of which impairment of hardened materials can arise because of the thermomechanical influences of the grinding processes.The above said pr
43、oblems caused the authors to investigate how this process-generated heat energy can be effectively utilized for quality improvement in cylindrical grinding.2. Selection of the workpiece material3 Influence Of The Process ParametersCylindrical grinding has many parameters that can be varied, but only
44、 three are very important: i) depth of cut; ii) feed speed; and iii) number of passes.The heat generated is proportional to the depth of the cut at the contact zone, because higher depths of cut result in longer heat treatment duration. Increasing depths of cut lead to higher quantities of energy en
45、tering into the workpiece. This will lead to a large amount of thermal damage on the surface of the workpiece. In addition to causing surface damage, grinding heat can also affect the precision of the workpiece.Increasing the feed speed is generally connected with increasing process forces. The two
46、main effects of feed speed areiAt very low feed speed, the traveling energy is high, due to lower cutting power, the extent of hardened layer is reduced.iiAt very high feed speed, the cutting power increases, but due to the decreased contact time and lower traveling energy, the extent of the hardene
47、d layer is once again reduced.Thus, a moderate or medium feed speed is always preferable to produce maximum hardness in the surface.Increasing the number of passes increases the hardness at the surface only to a certain depth of cut, after that, it decreases. Because of an increase in contact time and traveling energy, excessive heat transfer takes pl