磨削淬火技术的研究现状与展望

张建华　葛培琪　张　磊

山东大学

摘　要：磨削淬火技术利用磨削热对工件表面进行热处理，使工件表层发生马氏体相变，达到与表面强化处理一样的性能。本文对磨削淬火技术的研究现状进行了总结，针对目前研究中存在的问题，提出了磨削淬火技术研究的发展方向。

关键词：磨削淬火，　马氏体相变，　磨削加工

1　引言

磨削加工是机械制造中一种重要的加工工艺，被广泛应用于高精度和高光洁度零件的生产加工中。与其它加工工艺相比，磨削加工切除单位体积材料需要较高的能量输入，这些能量几乎全部转化为热能，其中大部分的热能传入工件，聚集在工件表层，形成局部高温(可高达1000℃)，同时形成极大的温度梯度，对工件表面质量、使用性能及砂轮的使用寿命影响极大。与常规热处理相比，表面淬火具有可使零件保持较高韧性和塑性等优点，在工业生产中得到广泛应用，但表面淬火较难以集成到生产线上，使得生产周期较长，生产成本增高。

磨削淬火技术正是在这种背景下，由德国学者EBrinksmeier和BrockhoffT于1994年率先提出，即首先利用粗磨加工产生的磨削热，在磨削加工过程中直接对工件表面进行表面淬火，然后再用精磨加工达到工件所要求的精度，从而解决了磨削中的热损伤和表面淬火难以在生产线集成的问题，实现了磨削加工与表面淬火相集成的新的加工工艺。本文对磨削淬火技术的研究现状进行了总结，并提出了磨削淬火技术的发展方向。

2　磨削淬火技术的研究现状

上世纪末以来，国内外学者对磨削淬火技术进行了大量研究，所取得的研究成果主要集中在对磨削淬火相变机理的解释、磨削参数与硬化层深度的关系、计算机仿真技术在磨削淬火中的应用等方面。

2.1　磨削淬火相变机理的研究

磨削淬火相变本质上是工件表层温度短时间升高到奥氏体化的温度，然后快速冷却到马氏体相变的温度，工件表层发生马氏体相变的过程。图1为我们利用磨削淬火技术加工工件后得到的工件表层金相图。

A———基体组织　B———马氏体相变层

图1　磨削淬火工件表层金相图(200×)

悉尼大学的LCZhang[3]对磨削淬火进行了试验研究和理论分析，所采用的加工参数见表1。试验结果表明，磨削淬火工件表层的微观硬度是原始材料的2.2倍、常规淬火的1.3倍。利用扫描电子显微镜对表层组织进行分析，观察到马氏体组织大小沿深度方向逐渐增大，但组织的最大尺寸仍小于1μm。分析认为:与常规淬火相比，由于在温度场与应力场的共同作用下，使磨削淬火工件表层具有超精细板条状马氏体和胞状、多边形位错组织，增加了磨削淬硬组织的热化学稳定性，使得零件的磨损率、摩擦系数和疲劳寿命得到了显著改善。

江苏大学刘菊东[4]把磨削硬化层分为完全硬化区和过渡区，认为完全硬化区由细小针状马氏体、残余奥氏体和少量点状碳化物组成，而过渡区由马氏体和回火索氏体(珠光体)组成。分析认为：从表面到里层，马氏体组织形貌呈现“细→粗→细”的变化规律，即相对粗大马氏体组织出现在次表层。

2.2　磨削参数对磨削淬火影响的研究

磨削时，磨除单位体积金属的磨削能量为

es=v_sFt/v_wa_pf_a         (1)

式中，v_s为切削速度；v_w为工件速度；a_p为切削深度；f_a为轴向进给量。

从式(1)可以看出磨削参数与磨削能量有着密切的关系，进而对磨削淬火技术有直接的影响。德国学者EBrinksmeier等[5，6]利用实验手段，在单因素的条件下对磨削用量与淬硬层深度的关系进行了研究，试验结果表明:

(1)磨削深度对淬硬层深度影响较大；随着磨削深度的增加，淬硬层也在逐渐增加；最大淬硬层深度为118mm；

(2)当进给速度较低时，传递到工件的能量较高，但由于提供的切削功率较低，使淬硬层的深度减小；当进给速度很高时，磨削功率增加，但由于接触时间减少，进入工件的能量降低，使淬硬层的深度也减小。试验结果表明，最大淬硬层深度出现于进给速度的中间阶段，而当进给速度很高或很低时，都难以得到满意的淬硬结果。

(3)切削速度对淬硬层深度的影响较为复杂。试验结果表明，切削速度与淬硬层深度之间没有必

然的关系。

澳大利亚悉尼大学的LCZhang[7]也分析了磨削中各个参数对马氏体相变层厚度的影响。认为影响工件表层相变的主要有四个参数:Peclet数Pe、热源分布峰值la、对流换热系数H和热流密度qa。

其中，pe=v_wL_c/4α是与工件进给速度vw成正比关系的量值，la=ξa/λ代表了不同的热源分布和磨削方式，H代表不同冷却液的影响，qa表示单位面积进入工件的热量值。

分析认为:

(1)Pe即工件的进给速度对磨削淬硬层厚度影响较大，虽然进给速度增大可以产生更多的热量，但降低了单位时间进入工件的热量，减小了热量在工件中的积累，使得相变层厚度减小；

(2)H值较大时，冷却速度较高，相变进行的时间缩短，造成马氏体相变的厚度变薄；

(3)增大qa可以延长马氏体相变的时间，加大马氏体相变的厚度。但如果qa过大，有可能会使工件表面形成一种熔融的状态，使工件材料粘结到砂轮的表面，影响磨削加工；

(4)对于给定的Pe、H和qa，当la的数值较小时，相变深度增加，这是由于热源峰值位置靠近磨削弧区中心，导致相变时间延长，冷却速度变慢，从而使得马氏体相变深度增大。

2.3　磨削淬火技术的仿真研究

在磨削加工中，由于材料、加工参数及砂轮种类的不同，使得从试验数据中得出磨削淬火的规律较为繁琐。随着计算机技术及模拟技术的发展，利用计算机可以进行磨削淬火技术的仿真，达到优化磨削参数和节省试验成本的目的。目前，利用计算机进行磨削基本参数及磨削工艺的仿真已成为一个重要的研究课题。

澳大利亚悉尼大学的LCZhang[8]基于Jager[9]的移动热源模型和Cahn相变理论，在三角形热源形状及三角形应力形状下，考虑了热应力和机械应力的复合作用，利用有限元的方法，建立了磨削过程的有限元模型。该模型在工件表层定义了一层1mm厚的表层，用四节点有限元单元将该层划分为八个子层，利用这些层来表示工件的相变过程，出于计算效率和精度的考虑，在70个时间步以后，将温度看作呈线性变化至室温。虽然该模型只是针对EN23合金钢，但是也为磨削相变的形成机理及其变化规律的研究提供了依据。

山东大学张磊[10，11]在深入分析磨削过程的基础上，认为单纯的滑擦形成矩形热源分布，单纯的切削形成三角形热源分布，认为热源分布模型应为矩形和三角形热源分布的组合即矩形—三角形热源分布模型(如图2所示)，并利用该模型结合大型有限元软件，对工件的温度场进行了仿真研究，得出工件各处的温度变化历程；提出当工件材料温度超过某一温度时即认为发生了马氏体相变，从而得出了表层相变深度与磨削参数之间的相应关系，仿真结果与试验数据较为一致。

图2　矩形、三角形和矩三角形热源分布

3　磨削淬火技术存在的问题

目前为止，国内外学者在磨削淬火工艺的研究方面做了许多工作并取得了一定的成果，但仍然存在下列技术问题，使得磨削淬火工艺在生产实际中的应用受到限制。

(1)   磨削淬火的理论研究较薄弱

磨削淬火是一个复杂的过程，主要受到磨削技术和淬火技术两方面的影响。

在磨削过程中，磨削力是一个重要参数，对机械能转化为热能有着至关重要的影响，是导致磨削过程中温度、相变等变化的最根本因素。因此，对磨削基础理论的研究尚需进一步加强。

在淬火过程中，冷却速度对淬火能否实现以及淬火质量的好坏起着关键性的作用。目前磨削淬火技术研究中多利用空气自然冷却，磨削淬火技术的淬火质量和材料的应用范围必然受到影响，故对冷却速度的研究也需加强。

(2)磨削淬火技术的工艺稳定性较差

工艺的稳定性是工业生产应用的前提条件。但目前对磨削淬火技术工艺稳定性的研究主要集中在最大淬硬层深度的再现性方面，而对淬硬层深度沿磨削方向的一致性的研究较为薄弱。

笔者在磨削淬火试验研究中发现，沿磨削方向，磨削淬硬层深度变化比较大。磨削过程由于受到多种因素的影响，磨削热量是一个动态变化的值，故造成沿磨削方向淬硬层深度的不一致。如何控制淬硬层深度沿磨削方向的变化，将是磨削淬火技术研究的一个重要内容。

(3)磨削淬火技术应用范围较窄

目前，在磨削淬火试验研究中，为实现磨削淬火并达到较好的淬硬层深度，多选用淬透性较好的合金钢及部分中碳钢，且多采用切入式的长方体试件平面磨削方式，而对磨削淬火技术材料的适用范围没有进行界定；此外对生产实际中应用较广的大表面平面、零件外圆及成形面的磨削淬火研究涉及较少。目前的研究局限于探讨阶段，与实际应用的结合不够紧密。

综上所述，可以看出，国内外目前关于磨削淬火的基础研究尚处于起步阶段，今后对磨削淬火技术的研究应当集中在磨削基础理论、磨削温度控制方法、工艺的稳定性及磨削淬火技术适用范围等方面，从而推动该技术在生产中得到更广泛的应用。

4　结语

磨削淬火工艺将磨削加工与表面淬火集成一体，开拓了一个极富潜力的研究方向，对磨削加工技术的发展和进步具有重要的理论和实践意义，磨削淬火技术在生产领域的不断应用必将产生良好的经济效益和社会效益。