一种基于预加热可控磨削强化方法
【专利摘要】本发明公开了一种预加热可控磨削强化方法，本方法通过磨削温度仿真计算获得磨削加工过程中工件深度方向的温度分布情况，其次采用预加热装置对工件预加热使其深度方向上形成与磨削温度梯度相反温度场（加热温度控制在150～250℃之间）；同时对预加热的工件进行磨削加工，利用磨削热和预加热叠加实现磨削工件一定深度上加热温度大于材料奥氏体转化温度Ac并保持稳定，从而实现可控深度和组织稳定的磨削强化组织。本发明具有如下的效果：实现磨削加工和表面强化以及低温回火一体化工艺；通过预热磨削强化工艺参数控制，提高磨削强化组织稳定性均匀性以及磨削强化深度，从而可达到工业应用水平，该磨削强化方法具有节能环保，效率高等优点。
【专利说明】—种基于预加热可控磨削强化方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及可淬硬钢磨削强化一体工艺，属于磨削加工【技术领域】。
【背景技术】
[0002]磨削强化技术是利用磨削过程中产生的热量使工件表层快速升温发生奥氏体化，并快速冷却实现马氏体相变，在力和热的耦合作用下实现了表面强化。磨削表面强化技术对磨削工艺与热处理将两种工艺进行了集成，简化了生产工序，缩短了加工周期，提高了产品的生产集成水平。然而目前的磨削强化技术主要不足是磨削强化层深度和组织稳定性难以达到工业应用程度。一般承受扭曲、压力负荷的零件考虑耐磨性和综合机械性能的要求下，其淬硬深度一般在3~5mm之间。相关文献表明一般磨削强化层深度都小于1.8mm。要实现较厚磨削强化深度必须增加磨削深度以实现较高的磨削温度，一方面会导致砂轮磨损严重，另一方面磨削表面质量变差如残余拉应力增加，表面粗糙度降低，增加了后续精加工工序的时间；同时由于磨削加工过程中，磨削热从表面向内部的快速传递，工件由表至里存在有较大的温度梯度和不均匀性，导致磨削强化层组织稳定性差，影响零件的使用性能；这些都严重制约了磨削强化技术的工业应用。因此，只有进一步开展磨削强化技术的研究，发展新的工艺方法，获取高效的加工工艺参数才能促进磨削强化技术在我国的实用化快速应用。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于提供一种可淬火钢基于预热的磨削强化方法，实现磨削加工、淬火工艺以及低温回火相结合的磨削强化工艺。该方法一方面可以提高磨削强化组织深度，另一方面可以获得比较稳定的均匀的磨削强化组织，并通过低温回火可消除淬火脆性，实现磨削强化技术的工业应用。
[0004]本发明的目的是通过如下步骤实现可淬火钢基于预热的磨削强化方法:
[0005]步骤I通过磨削温度仿真计算获得磨削工件深度上的温度分布情况；
[0006]步骤2根据磨削仿真温度分布和强化所需要的深度以及工件传热性能来确定工件预热温度；
[0007]步骤3预加热装置对工件待磨削区预加热使工件表面形成与磨削温度梯度相反温度，工件预加热温度控制在150~250°C ；
[0008]步骤4在预加热的同时进行单行程磨削加工，热源和工件同步移动。其磨削强化关键工艺参数为:
[0009]砂轮速度为:20m/s~50m/s ；
[0010]工件进给速度:lm/min~9m/min ；
[0011]磨削深度:0.1 ~0.3mm ;
[0012]步骤5取消预热后精密磨削，实现工件尺寸精度和表面质量等技术要求。
[0013]本发明具有如下的效果:1、实现磨削加工和表面强化以及低温回火一体化工艺，具有节能环保，效率高和成本低等优点；2、通过预热磨削强化工艺参数控制，可以提高磨削强化组织稳定性均匀性以及磨削强化深度，提高砂轮的耐用度，从而达到工业应用水平。
3、完善和发展了可淬火钢材料的磨削强化新技术新工艺，进一步推动磨削强化工程实际应用。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1为本发明可淬火钢材料预热磨削强化的示意图，图中O为砂轮的圆心，a为磨削深度，Vs砂轮的转速，Vw为工件进给深度，Q为热源。
[0015]图2可淬火钢材料预热磨削强化技术的原理示意图，图中q为磨削加工时进入工件的热流密度，Ac为材料奥氏体转化温度，T工件温度，h为工件高度，hi为常温磨削时的磨削强化深度，h2为预热磨削后的磨削强化深度；砂轮与工件接触下方工件上弧线为工件磨削温度的分布等高线。
[0016]图3采用导电加热方法的磨削强化工艺具体实施实例，图中O为砂轮的圆心，A为移动电刷与工件接触位置。
【具体实施方式】
[0017]本发明的主要原理是:利用仿真可获得磨削过程中(没有加热条件下)磨削深度上温度分布情况如图2中曲线1，其最高温度为Tmax，温度梯度比较大，超过材料奥氏体转化温度Ac，此时磨削强化深度为hi。采用预加热装置(如低压大电流对工件两端形成回路，通过加热电阻生成的热)对工件预加热，工件深度方向的温度分布为曲线2所示。在该条件下同时对工件进行磨削加工，磨削过程的实际温度分布是前面两者的叠加如曲线3所示，此时可以看到磨削表面最高磨削温度增加不大，而超过材料奥氏体转化温度Ac的深度增加到h2，同时在深度h2段的温度基本保持一个比较稳定的范围如Ac+30~50°C，从而实现磨削强化层的深度以及组织的稳定性的提高。同时工件在磨削过程中处于热胀预应力状态，可使得表面获得残余压应力；工件余热使得工件强化后形成一个低温回火的过程，消除工件淬火脆性，提高磨削强化质量。最后通过精磨可以去除表面高温部分导致的表面损伤层，实现工件尺寸精度和表面质量等技术要求。
[0018]下面通过具体的实施方式，对本发明的技术方案作进一步的详细说明。
[0019]如图3所示，以40Cr可淬火钢的预加热磨削强化为例，40Cr是工业上常用的工件材料之一，调质后具有较高的屈服强度和疲劳强度，以及良好的韧性。其经过淬火及回火后用于制造承受高负荷、冲击及中等速度工作的零件，如齿轮、主轴、滑块、套环等。目前的磨削强化技术主要不足是磨削强化层深度和组织稳定性难以达到工业应用程度。针对40Cr现有磨削强化的存在的问题，在此采用本发明的磨削强化方法进行磨削加工。加工的工件尺寸为100X20X40毫米，依次按下列步骤进行:
[0020]1、通过已有的磨削40Cr加工的磨削力数据，根据仿真可以获得工件深度方向的温度分布。
[0021]2、将所需要加工的40Cr材料放置在预加热装置上，通过低压大电流加热方法对工件加热，根据电源参数的设置以及温度传感器测的工件表面温度和电极处温度，电极处工件于温度控制240°C。[0022]3、磨削加工时的主要技术参数为，砂轮速度30m/s，工作台进给速度为9m/min，磨削深度为0.1mm ;砂轮为棕刚玉砂轮(直径300mm)，粒度为46号；冷却方式:干磨，顺磨。
[0023]4、精磨， 实现工件尺寸精度和表面质量等技术要求。
【权利要求】
1.一种对可淬火钢的预热磨削强化方法，首先可通过磨削温度仿真计算获得磨削工件深度上的温度分布情况，其次预加热装置对工件预加热使工件深度方向上形成与磨削温度梯度相反温度场，同时对预加热装置上的工件置于磨床上进行磨削加工，利用磨削热和预加热叠加实现磨削工件深度方向上温度大于材料Ac的深度增加，并且在一定深度上温度保持稳定，从而实现可控磨削强化。
2.根据权利要求1所述的可淬火钢的预热磨削强化方法，其特征在于:通过预加热装置对工件待磨削区预加热，并且热源和工件同步移动。
3.根据权利要求1所述的可淬火钢的预热磨削强化方法，其特征在于:预热温度要根据磨削仿真确定温度分布和强化所需要的深度以及工件传热性能来确定工件预热温度，加热温度控制在150~250°C之间。
4.根据权利要求1所述的可淬火钢的预热磨削强化方法，其特征在于:预热磨削强化关键工艺参数为: 采用单行程磨削； 砂轮速度:20m/s~50m/s ； 工件进给速度:lm/min~9m/min ； 磨削深度:0.I~0 .3謹； 砂轮:刚玉或CBN砂轮，粒度:46~80# ； 冷却方式:切入式干磨。
【文档编号】C21D1/18GK103614525SQ201310594582
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2013年11月22日 优先权日:2013年11月22日
【发明者】黄向明, 任莹晖, 周志雄, 刘森, 蒋为 申请人:湖南大学