40cr調(diào)質(zhì)鋼磨削強(qiáng)化溫度與強(qiáng)化效果試驗(yàn)研究

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要1</b></p><p>　　ABSTRACT2</p><p><b>　　第一章 緒論3</b></p><p>　　1.1 磨削強(qiáng)化的工藝優(yōu)勢(shì)3</p>

2、<p>　　1.2 當(dāng)前國(guó)內(nèi)外的研究狀況5</p><p>　　1.3 本課題擬開(kāi)展的主要工作7</p><p>　　第二章 溫度標(biāo)定9</p><p>　　2.1 熱電偶概述9</p><p>　　2.2 40Cr－康銅非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的標(biāo)定11</p><p>　　第三章 溫度測(cè)量試驗(yàn)

3、15</p><p>　　3.1 40Cr鋼的簡(jiǎn)介15</p><p>　　3.2 40Cr鋼磨削強(qiáng)化的可行性分析16</p><p>　　3.3 測(cè)溫的目的與意義16</p><p>　　3.4 磨削用量條件的優(yōu)化17</p><p>　　3.5 溫度測(cè)量19</p><p&

4、gt;　　第四章 試驗(yàn)結(jié)果及其分析25</p><p>　　4.1 40Cr磨削強(qiáng)化試驗(yàn)顯微硬度梯度分析25</p><p>　　4.2 硬化層金相分析28</p><p>　　4.3 淬硬層硬度厚度穩(wěn)定性分析32</p><p>　　第五章 結(jié)論與展望34</p><p>　　5.1 結(jié)論34

5、</p><p>　　5.2 展望34</p><p><b>　　致 謝36</b></p><p>　　參 考 文 獻(xiàn)37</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　磨削強(qiáng)化是利用粗磨產(chǎn)生的磨削熱對(duì)工件表面進(jìn)行強(qiáng)化的新技術(shù)，可以將

6、磨削加工和工件表面強(qiáng)化復(fù)合為一體。為考察磨削強(qiáng)化的效果，以調(diào)質(zhì)后的40Cr為試驗(yàn)對(duì)象，采用棕剛玉砂輪在MMD7125平面磨床上對(duì)磨削強(qiáng)化用量條件進(jìn)行了優(yōu)化；采用半人工熱電偶法對(duì)磨削溫度進(jìn)行了測(cè)量，對(duì)冷卻速度進(jìn)行了確定；利用HSX-1000型全自動(dòng)顯微硬度測(cè)試儀測(cè)定了磨削強(qiáng)化層的顯微硬度；在金相顯微鏡上利用數(shù)碼相機(jī)拍攝了金相組織照片。試驗(yàn)結(jié)果表明：磨削硬化層金相組織、顯微硬度和硬化深度均滿足表面強(qiáng)化要求。完全硬化區(qū)由細(xì)小針狀馬氏體、殘余奧

7、氏體和少量點(diǎn)狀碳化物組成，過(guò)渡區(qū)由馬氏體和回火索氏體(珠光體)組成；硬化區(qū)顯微硬度在HV512-700之間，硬化層深度達(dá)到了1.2mm。</p><p>　　關(guān)鍵詞:40Cr，磨削強(qiáng)化，溫度測(cè)量，顯微硬度，金相組織，硬化深度</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　The grinding hardening

8、is a new technology of grinding and hardening workpiece surfaces using grinding heat during the course of coarse grinding. It can integrate the grinding process with the surface hardening process. To investigate the effe

9、ct of grinding hardening, the parameter of grinding hardening of 40Cr is optimized with the grinding wheel of corundum on flat surface grinding machine of MMD7125. The temperature of grinding is measured by the way of ha

10、lf artificial thermocouple and the sp</p><p>　　Keywords: 40Cr, grinding hardening, temperature measuring , microhardness, metallography，depth of hardened layer</p><p><b>　　第一章 緒論</b>

11、;</p><p>　　1.1 磨削強(qiáng)化的工藝優(yōu)勢(shì)</p><p>　　許多鋼質(zhì)零件需通過(guò)金屬熱處理來(lái)改善材料的性能，提高材料的耐磨性及疲勞強(qiáng)度。金屬熱處理是在固態(tài)下將鋼或合金加熱到一定溫度，保溫適當(dāng)時(shí)間獲得相應(yīng)的高溫晶相，然后快速冷卻，以獲得遠(yuǎn)離平衡狀態(tài)的不穩(wěn)定組織。鋼件的表面淬火是眾多熱處理方法中的一種，通常是整體熱處理（退火，正火或調(diào)質(zhì)等）后，將表面層加熱到臨界點(diǎn)以上的溫度并急速冷

12、卻的工藝方法。鋼件表面層加熱方法很多，主要有感應(yīng)加熱，火焰加熱，電解液加熱，電接觸加熱，脈沖加熱，激光加熱，電子束加熱等等。與完全淬硬熱處理相比，表面淬硬處理的優(yōu)點(diǎn)是零件的整體柔韌性好。表面熱處理的方法眾多，然而不管采用何種熱處理工藝都需要對(duì)零件進(jìn)行運(yùn)輸、儲(chǔ)存、清洗等操作，不可能將其集成到產(chǎn)品的機(jī)械加工生產(chǎn)線上，因此，將使產(chǎn)品生產(chǎn)周期加長(zhǎng)，成本提高，從而降低產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。</p><p>　　目前國(guó)內(nèi)外普遍采

13、用的先將40Cr表面感應(yīng)淬火強(qiáng)化處理，然后再粗磨和精磨的工藝至少存在以下弊端：一是零件在表面淬火后所進(jìn)行的粗磨加工可能會(huì)對(duì)已淬硬表層造成熱損傷；二是磨削產(chǎn)生的大量熱能被白白浪費(fèi)；三是工藝路線長(zhǎng)，生產(chǎn)效率低，制造成本高。不過(guò)，這也容易使人聯(lián)想到既然磨削熱能使工件表面層溫度達(dá)到相變溫度以上，為何不利用粗磨產(chǎn)生的磨削高溫，再施以恰當(dāng)?shù)睦鋮s速度，直接對(duì)材料表層強(qiáng)化，然后再精磨獲取所要求的精度和表面質(zhì)量，從而省去了感應(yīng)加熱表面淬火工序，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)

14、工藝，主動(dòng)消除了磨削熱產(chǎn)生的消極作用，充分有效地利用了磨削熱?；谝陨戏治?，利用磨削強(qiáng)化處理技術(shù)替代高、中頻感應(yīng)淬火工藝對(duì)40Cr調(diào)質(zhì)鋼進(jìn)行表面強(qiáng)化，即將磨削加工與表面強(qiáng)化復(fù)合為一體[1][2]。</p><p>　　市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)是激烈的，唯有不斷的提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力才能面對(duì)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)，而提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的方法常見(jiàn)的有降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率與新生產(chǎn)技術(shù)的研發(fā)，其中由于新技術(shù)的研發(fā)通常需要漫長(zhǎng)的時(shí)間與大量的投資，因此

15、競(jìng)爭(zhēng)力的提升通常會(huì)借助降低生產(chǎn)成本與提高生產(chǎn)效率來(lái)著手。借助大量的生產(chǎn)與生產(chǎn)自動(dòng)化來(lái)降低生產(chǎn)成本是一般常見(jiàn)的做法，而如能配合適當(dāng)?shù)膫}(cāng)管與運(yùn)輸則能進(jìn)一步的降低成本，至于生產(chǎn)效率的提升，常見(jiàn)的做法是最佳化參數(shù)的生產(chǎn)，將現(xiàn)有設(shè)備的產(chǎn)能發(fā)揮到最大。此外利用加工工藝的特性，簡(jiǎn)化加工步驟，以較少的時(shí)間與設(shè)備完成所需的加工，不但可提升生產(chǎn)效率同時(shí)也降低生產(chǎn)成本，因此成為近年來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。精密的鋼鐵材料組件加工大多要經(jīng)歷粗加工、硬化處理、精加工來(lái)完成，

16、其中對(duì)組件施以硬化處理的目的是為了提高材料的機(jī)械性質(zhì)，如材料硬度。然而零件在硬化處理的過(guò)程中會(huì)因高溫作用而變形，因此零件在進(jìn)行硬化處理時(shí)須搭配相關(guān)的前置作業(yè)與后續(xù)處理來(lái)確保零件的尺寸精度，但此舉卻會(huì)影響零件的生產(chǎn)效率。所謂的前置作業(yè)是指組件在粗加工階段，需依經(jīng)驗(yàn)在零件強(qiáng)化處理后可能的變形而預(yù)留加工余量，而后續(xù)處理，則是指組件在粗加工階段所預(yù)留的加工余量與強(qiáng)化處</p><p>　　在不利用熱處理爐的情況下，要將材

17、料的強(qiáng)化處理融入生產(chǎn)線，其關(guān)鍵在于如何取得足夠與適當(dāng)?shù)奶娲鸁嵩??？v觀一般加工工藝規(guī)程，工具機(jī)本身似乎沒(méi)有機(jī)制可以引發(fā)材料有明顯的溫升，因此對(duì)于能提供材料溫升熱源的尋找，似乎只能從加工工藝規(guī)程的特性來(lái)著手。一般精密鋼鐵零件的精加工，最常采用的是磨削加工 (Grindingprocess)，由于加工過(guò)程本身的原因，加工過(guò)程中會(huì)消耗大量的能量，其中大部分會(huì)轉(zhuǎn)換成熱的形式進(jìn)入工件表面，并引發(fā)工件表面溫升，且溫升往往可達(dá)幾百甚至上千攝氏度。若能利

18、用磨削加工過(guò)程中工件表面所導(dǎo)致的溫升，來(lái)當(dāng)做零件表面強(qiáng)化處理的熱源，則零件在經(jīng)歷加工的過(guò)程即可同步完成組件的表面強(qiáng)化處理，如此一來(lái)，材料的強(qiáng)化處理將可在生產(chǎn)線上完成，因此對(duì)精密零件生產(chǎn)效率的改善，將有明顯的效果。雖然磨削熱處理是理論上可行的技術(shù)，但尚有許多問(wèn)題，如加工參數(shù)、磨削區(qū)溫升對(duì)硬化層形成的影響還未被弄清。因此為了對(duì)磨削強(qiáng)化處理相關(guān)機(jī)理能有更多的了解，本文將借助各項(xiàng)相關(guān)理論的探討為基礎(chǔ)，規(guī)劃適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，期望借助實(shí)驗(yàn)參數(shù)

19、、磨削區(qū)溫升與磨后零件淬硬層狀況間的關(guān)系，來(lái)驗(yàn)證對(duì)40Cr調(diào)質(zhì)鋼進(jìn)行磨削表面強(qiáng)化處理模式</p><p>　　利用磨削強(qiáng)化技術(shù)不僅使表面熱處理工藝集成到生產(chǎn)線，使其工藝流程由傳統(tǒng)表面熱處理工藝（如圖1－1）的多工序簡(jiǎn)化為磨削強(qiáng)化工藝（如圖1－2）的集成化流程[3]。</p><p>　　圖1－1 傳統(tǒng)熱處理流程</p><p>　　圖1－2 磨削強(qiáng)化流程</

20、p><p>　　磨削強(qiáng)化還將減少生產(chǎn)工序，縮短加工周期，降低產(chǎn)品成本。利用磨削熱進(jìn)行表面強(qiáng)化的研究，探索這項(xiàng)新型的表面熱處理工藝在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中的可行性和適用性，主動(dòng)有效地控制磨削工藝條件，利用磨削熱對(duì)工件表面進(jìn)行熱處理，以改善工件表面材料性能，從而達(dá)到簡(jiǎn)化工藝流程，減少能源消耗，降低生產(chǎn)成本，達(dá)到環(huán)境保護(hù)的目的。</p><p>　　1.2 當(dāng)前國(guó)內(nèi)外的研究狀況</p>&l

21、t;p>　　由于在砂輪的磨削過(guò)程中，不可避免的會(huì)在材料表面引發(fā)溫升，而由于溫升也是材料強(qiáng)化處理的要素之一，因此若能善用磨削過(guò)程中材料表面所產(chǎn)生的溫升，利用磨削過(guò)程中材料表面產(chǎn)生的熱量來(lái)對(duì)材料進(jìn)行表面強(qiáng)化，則或許可將表面熱處理集成到生產(chǎn)線中。利用磨削熱，并通過(guò)控制磨削時(shí)進(jìn)入工件的熱量和溫度冷卻速度，使工件表面材料的金相組織在磨削后得到改變，從而達(dá)到表面強(qiáng)化處理的效果，這就是磨削強(qiáng)化?，F(xiàn)在磨削強(qiáng)化任處于萌芽階段，長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究磨

22、削熱所做的工作，主要集中在將磨削熱作為消極因素加以研究，提出了許多磨削熱分析模型，并對(duì)理論模型進(jìn)行了相應(yīng)的工藝驗(yàn)證。分析研究的目的是盡量避免工件燒傷。雖然過(guò)去也曾出現(xiàn)過(guò)磨削強(qiáng)化概念，但那是磨削加工過(guò)程中派生的無(wú)目的的材料表層強(qiáng)化現(xiàn)象。近年來(lái)，國(guó)外許多基礎(chǔ)性研究則是主動(dòng)利用磨削熱對(duì)工件表層進(jìn)行強(qiáng)化處理，以改善工件表層材料性能。1994年，德國(guó)的E. Brinksmeier和T. Brockhoff首次提出了調(diào)質(zhì)鋼零件磨削強(qiáng)化的新工藝［4］

23、，并于1996年、1998年和1999年進(jìn)一步闡述了這項(xiàng)新工藝在工業(yè)中應(yīng)用的可行性及相關(guān)試驗(yàn)研究結(jié)果［5］。2002年澳大利亞的I. Za</p><p>　　對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)的分析研究表明，主要有三大關(guān)鍵基礎(chǔ)問(wèn)題未能妥善解決：一是磨削強(qiáng)化組織形成機(jī)理的研究尚需完善。在材料一定時(shí)，磨削強(qiáng)化組織及其性能取決于磨削溫度、溫度作用時(shí)間及冷卻速度，而已有的研究在沒(méi)有測(cè)溫、控制溫度作用時(shí)間和冷卻速度的情況下，僅局限于采用某一特定

24、磨削用量條件和試樣自身冷卻條件下的試驗(yàn)或模擬結(jié)果來(lái)解釋磨削強(qiáng)化組織的形成機(jī)理，顯然不充分且有些盲目；二是磨削強(qiáng)化層質(zhì)量穩(wěn)定性的研究尚需加強(qiáng)。砂輪磨料的鈍化、切屑的堵塞，工件內(nèi)冷卻與外冷卻條件的變化等都會(huì)影響到磨削強(qiáng)化層質(zhì)量的穩(wěn)定性與一致性，目前的研究?jī)H局限于磨削用量對(duì)磨削強(qiáng)化層深度的單因素影響規(guī)律，缺乏能直接推廣應(yīng)用的經(jīng)過(guò)優(yōu)化的磨削工藝條件組合；三是磨削強(qiáng)化研究范圍尚需拓寬，目前的磨削強(qiáng)化試驗(yàn)基本采用切入式長(zhǎng)方體試樣平面磨削方式，而針對(duì)

25、具體需要強(qiáng)化的零件外圓、成形面及大表面平面磨削強(qiáng)化的研究幾乎沒(méi)有涉及。這些都無(wú)疑將直接影響該項(xiàng)新工藝研究的理論價(jià)值和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。從以上三點(diǎn)不難看出，國(guó)內(nèi)外目前關(guān)于磨削強(qiáng)化的基礎(chǔ)研究尚處于起步階段，在如何有效控制磨削溫度、溫度作用時(shí)間、冷卻速度，進(jìn)而保證磨削強(qiáng)化層質(zhì)量這一關(guān)鍵問(wèn)題上，至今未能形成明確的思</p><p>　　影響磨削強(qiáng)化的因素很多。從國(guó)外已有的研究成果來(lái)看：切削深度、進(jìn)給速度、切削速度、材料的影響

26、、 砂輪的影響、工藝穩(wěn)定性、磨削強(qiáng)化表面的耐磨性都可能對(duì)磨削強(qiáng)化的效果產(chǎn)生影響。</p><p>　　1.切削深度：在平面磨削中，如進(jìn)給速度不變，則材料去除率和切削等效厚度與切削深度成正比。切削深度的增加會(huì)使切削力增大，使熱作用時(shí)間加長(zhǎng)，進(jìn)入工件表面的能量增多。</p><p>　　2.進(jìn)給速度：增大進(jìn)給速度通常會(huì)使磨削力增大。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，最大淬硬層深度出現(xiàn)在進(jìn)給速度的中間階段，當(dāng)進(jìn)給速

27、度很高或很低時(shí)都難以得到令人滿意的淬硬結(jié)果。</p><p>　　3.切削速度：切削速度對(duì)淬硬工藝的影響十分復(fù)雜，沒(méi)有普遍對(duì)應(yīng)的關(guān)系。</p><p>　　4.材料狀態(tài)的影響：因?yàn)檎{(diào)質(zhì)態(tài)材料的碳化物分布較細(xì)，所以調(diào)質(zhì)態(tài)材料能比退火態(tài)材料得到更大的淬硬深度。</p><p>　　5.砂輪的影響：為使較多的熱量流入工件，應(yīng)選擇導(dǎo)熱率低的砂輪。</p>&l

28、t;p>　　6.工藝穩(wěn)定性：一種新工藝應(yīng)用的前提是應(yīng)保證其具有良好的工藝穩(wěn)定性和結(jié)果再現(xiàn)性。</p><p>　　7.磨削強(qiáng)化表面的耐磨性：從淬硬表面的硬度和殘余應(yīng)力分布來(lái)看，磨削強(qiáng)化加工完全能滿足工藝要求，但還應(yīng)對(duì)磨削強(qiáng)化工件的使用性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。</p><p>　　但材料的種類繁多，性能也千差萬(wàn)別。國(guó)外的科學(xué)家只對(duì)其可能影響材料強(qiáng)化效果的因素進(jìn)行了分析研究，并沒(méi)有詳細(xì)研究磨削強(qiáng)化

29、在各種具體材料中的應(yīng)用，也沒(méi)有制定出具體的工藝標(biāo)準(zhǔn)。要將目前世界上先進(jìn)的科學(xué)理論與生產(chǎn)實(shí)踐相結(jié)合，并服務(wù)于生產(chǎn)過(guò)程，就必須結(jié)合具體的材料進(jìn)行研究。研究其可行性和適用性，制定出相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與工藝流程。</p><p>　　由以往的研究得出，由于磨削自身的特點(diǎn)，磨削過(guò)程產(chǎn)生的硬化層與常規(guī)的表面高溫形變淬火產(chǎn)生的硬化層相比具有以下特點(diǎn)：</p><p>　　1.磨削熱源按三角形分布,磨削表層溫

30、度分布曲線的峰值趨向于熱源區(qū)域（磨削弧區(qū)）的中心部位； </p><p>　　2.在大梯度應(yīng)力場(chǎng)的作用下，零件的奧氏體化局部表層沿層深產(chǎn)生不同程度的形變；</p><p>　　3.磨削淬硬組織具有非均勻形態(tài),馬氏體尺寸沿淬硬層深由外向內(nèi)逐漸增大,而位錯(cuò)密度則逐漸降低;</p><p>　　4.磨削淬硬層存在壓縮殘余應(yīng)力,淬硬層深度及顯微硬度相當(dāng)于激光淬火、噴丸及滲氮

31、工藝，而且?guī)缀醪淮嬖谟捕忍荻茸兓?lt;/p><p>　　5.主動(dòng)利用磨削加工中的熱—機(jī)械作用，實(shí)現(xiàn)未淬硬鋼零件磨削加工與表面形變淬火的集成制造，同時(shí)減少了專用熱處理設(shè)備的投資及排放物對(duì)環(huán)境的污染，降低了成本；</p><p>　　6.各過(guò)程參量及磨削淬硬質(zhì)量均與磨削條件有關(guān)，通過(guò)選擇合理的磨削工藝參數(shù)，可有效地控制淬硬質(zhì)量。</p><p>　　在以往學(xué)術(shù)界的研究中

32、發(fā)現(xiàn)，磨削淬硬技術(shù)的特點(diǎn)是：①磨削強(qiáng)化分兩個(gè)階段：首先經(jīng)過(guò)粗磨產(chǎn)生磨削熱并利用磨削熱淬火，然后再精磨以達(dá)到所需的尺寸和形狀精度；②磨削強(qiáng)化是短時(shí)間內(nèi)奧氏體化的工件表層經(jīng)自淬火向馬氏體相變的現(xiàn)象；③冷卻潤(rùn)滑劑會(huì)影響熱量的產(chǎn)生，因此磨削強(qiáng)化時(shí)可采用干式磨削；④磨削強(qiáng)化使零件表面淬硬層存在殘余壓應(yīng)力，表面無(wú)裂紋。 </p><p>　　1.3 本課題擬開(kāi)展的主要工作</p><p>　　本課題

33、注重試驗(yàn)研究，主要研究任務(wù)是通過(guò)改變磨削切削深度來(lái)改變表面溫升，從而改變硬化層的厚度，找出溫升和硬化層厚度的關(guān)系，并對(duì)淬硬部分的組織進(jìn)行分析。</p><p>　　1.3.1 研究?jī)?nèi)容及要求：</p><p>　　磨削強(qiáng)化研究的目的和意義；</p><p>　　40Cr磨削強(qiáng)化試驗(yàn)方案的制定及試樣的制作；</p><p>　　40Cr－康銅

34、非標(biāo)熱電偶的溫度標(biāo)定；</p><p>　　40Cr磨削強(qiáng)化用量條件的優(yōu)化；</p><p>　　優(yōu)化用量條件下的40Cr磨削強(qiáng)化溫度測(cè)量及冷卻速度的確定；</p><p>　　磨削強(qiáng)化效果的測(cè)定（硬度、金相組織、硬化層厚度）及其機(jī)理分析。</p><p>　　1.3.2 主要技術(shù)要求：</p><p>　?。?）

35、 正確的40Cr－康銅非標(biāo)熱電偶的溫度標(biāo)定曲線；</p><p>　?。?） 試驗(yàn)確定出最優(yōu)的磨削用量組合條件；</p><p>　　（3） 試驗(yàn)確定出適于磨削強(qiáng)化的磨削溫度和冷卻速度（磨削溫度在830～900℃；冷卻速度≥30℃/S）；</p><p>　?。?） 要求磨削強(qiáng)化后的40Cr試樣強(qiáng)化層金相組織為淬火馬氏體，硬化層深度在</p>&

36、lt;p>　　0.7~1.3mm。</p><p>　　要求磨削強(qiáng)化的試樣表面硬度≥HV512。</p><p><b>　　第二章 溫度標(biāo)定</b></p><p>　　2.1 熱電偶概述</p><p>　　溫度測(cè)量在冶金、石油、化工、機(jī)械制造、國(guó)防以及國(guó)民經(jīng)濟(jì)其它部門(mén)都具有十分重要的意義。溫度測(cè)量的方法是

37、多種多樣的，熱電偶測(cè)溫法就是其中較常用的一種方法。</p><p>　　2.1.1 熱電偶的工作原理</p><p>　　熱電偶的工作原理是：當(dāng)兩種不同的導(dǎo)體兩端連接成回路時(shí)，由于接合點(diǎn)溫度不同，會(huì)在回路里產(chǎn)生熱電流的物理現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為溫差電效應(yīng)或塞貝克效應(yīng)。熱電偶就是基于這種熱電效應(yīng)而工作的。熱電偶由2根不同導(dǎo)線（熱電極）A和B組成，如圖2.1所示，它們一端互相焊接（如1端），形成

38、熱電偶的工作端、測(cè)量端或熱端，用它插入待測(cè)介質(zhì)中測(cè)量溫度。另一端（如2端）溫度保持恒定，稱作參考端或自由端。通常，把參考端也稱為冷端。利用兩端（熱端和冷端）溫差和熱電勢(shì)的函數(shù)關(guān)系來(lái)測(cè)量溫度。由此可見(jiàn)，熱電偶就是利用熱電勢(shì)隨兩接點(diǎn)溫度變化的特性來(lái)測(cè)量溫度的[12]。</p><p>　　2.1.2 熱電偶的特性</p><p>　　熱電偶是目前溫度測(cè)量領(lǐng)域中，應(yīng)用最廣泛的感溫元件之一。它的

39、特點(diǎn)如下[13～14]：</p><p>　　1. 熱電偶可以直接將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。因此，對(duì)于溫度的測(cè)量、調(diào)節(jié)、控制、放大、變換都很容易進(jìn)行、既有利于遠(yuǎn)距離傳送又便于集中管理和電子計(jì)算機(jī)處理。</p><p>　　2. 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用、安裝、維修、保養(yǎng)都很方便。</p><p>　　3. 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的熱電偶容易獲得，價(jià)格比較低廉。</p><

40、;p>　　4. 測(cè)量準(zhǔn)確度高，由于熱電偶與被測(cè)介質(zhì)直接接觸，因此測(cè)量的是真實(shí)溫度。</p><p>　　5. 測(cè)溫范圍廣，可測(cè)量200～2800℃范圍的溫度。</p><p>　　6. 熱惰性小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快。</p><p>　　7. 適應(yīng)性強(qiáng)，由于熱電偶的品種、規(guī)格齊全，它可以根據(jù)使用的特殊要求和具體條件，選擇適當(dāng)?shù)牟牧掀贩N和尺寸、規(guī)格制成體積大小不同和

41、形狀各異的熱電偶，以滿足不同的測(cè)溫需要。它既可以測(cè)量物體的表面溫度、高速過(guò)程的瞬變溫度，又可測(cè)量特定部位或狹小場(chǎng)所的溫度。</p><p>　　由于熱電偶具有上述特點(diǎn)，因此它在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究實(shí)驗(yàn)中得到了廣泛的應(yīng)用。然而熱電偶測(cè)溫也有其局限性：</p><p>　　1. 熱電偶插入溫度場(chǎng)中會(huì)改變溫度場(chǎng)的原來(lái)狀態(tài)，被測(cè)溫度會(huì)稍偏離原來(lái)的實(shí)際溫度。</p><p>　

42、　2. 由于熱電極材料受熔點(diǎn)的限制，測(cè)溫上限不能無(wú)限提高，而且測(cè)溫準(zhǔn)確度難以超過(guò)0.2℃。</p><p>　　3. 使用時(shí)，必須使參考端溫度恒定，否則將引起測(cè)量誤差。</p><p>　　4. 在高溫或長(zhǎng)期使用的情況下，易受被測(cè)介質(zhì)和環(huán)境氣氛影響，使熱電偶腐蝕變質(zhì)，降低使用壽命。</p><p>　　2.1.3 熱電偶的分類</p><p&g

43、t;　　熱電偶的分類方法繁多，可以按用途、結(jié)構(gòu)、材料等方法來(lái)劃分，分類具體如下：</p><p>　　1. 按熱電極材料分有：貴金屬熱電偶、廉金屬熱電偶、貴-廉金屬混合式熱電偶、難熔金屬熱電偶、非金屬熱電偶。</p><p>　　2. 按使用溫度范圍來(lái)分有：高溫?zé)犭娕?、中溫?zé)犭娕肌⒌蜏責(zé)犭娕肌?lt;/p><p>　　3. 按熱電偶的結(jié)構(gòu)類型來(lái)分有：普通熱電偶、鎧裝熱電

44、偶、薄膜熱電偶、各種專用熱電偶（如測(cè)量表面溫度用的表面熱電偶；測(cè)量熔融金屬用的快速微型熱電偶；測(cè)量氣流溫度的抽氣式熱電偶；測(cè)量有爆炸性氣體混合物的隔爆熱電偶等）。</p><p>　　4. 按工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化情況分有：標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶和非標(biāo)推化熱電偶。</p><p>　　2.1.4 熱電偶的標(biāo)定種類</p><p>　　在溫度的測(cè)量過(guò)程中，用熱電偶測(cè)出的實(shí)際上是熱電勢(shì)，而

45、并非溫度值本身，所以必須知道每一種熱電偶的熱電勢(shì)與溫度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，才能最終得到需要的溫度值。而且不同材料組成的熱電偶其熱電勢(shì)與溫度之間的關(guān)系又是不同的，因此對(duì)于那些非標(biāo)準(zhǔn)的熱電偶在使用前就必須進(jìn)行標(biāo)定。通常表示熱電偶熱電勢(shì)和溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系的方法有三種：表格法、曲線法、公式法。</p><p>　　熱電偶的標(biāo)定，就是將熱電偶置于若干溫度下測(cè)量其熱電勢(shì)，并確定熱電勢(shì)與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。根據(jù)溫度給定和熱電勢(shì)測(cè)定的方法

46、不同，熱電偶的標(biāo)定種類主要有三種：純金屬定點(diǎn)法、比較法和黑體空腔法。</p><p><b>　　1. 純金屬定點(diǎn)法</b></p><p>　　純金屬定點(diǎn)法是利用純金屬相變平衡點(diǎn)具有固定不變的溫度特性來(lái)對(duì)熱電偶進(jìn)行標(biāo)定的。根據(jù)獲得純金屬平衡點(diǎn)的方法不同，純金屬定點(diǎn)法又可分為坩堝定點(diǎn)法和熔絲定點(diǎn)法。</p><p><b>　　2.

47、比較法</b></p><p>　　比較法是利用高一級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和被檢熱電偶直接比較的一種檢定方法。這種方法設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便，并且一次能標(biāo)定多支熱電偶，是應(yīng)用最廣泛的一種標(biāo)定方法。它適用于標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和各種工作熱電偶。比較法又可分為雙極法、同名極法和微差法。</p><p><b>　　3. 黑體空腔法</b></p><p>

48、;　　這種方法是利用標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計(jì)或標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)高溫計(jì)測(cè)量出熱源黑體空腔的溫度來(lái)對(duì)熱電偶進(jìn)行標(biāo)定的。</p><p>　　2.2 40Cr－康銅非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的標(biāo)定</p><p>　　2.2.1 標(biāo)定過(guò)程</p><p>　　由于40Cr－康銅不是標(biāo)準(zhǔn)熱電偶，而且目前也沒(méi)有其溫度與熱電勢(shì)之間的關(guān)系數(shù)據(jù)，所以試驗(yàn)研究的目的是標(biāo)定出40Cr－康銅這一對(duì)熱電偶的熱電特性數(shù)

49、據(jù)，得到該熱電偶的熱電勢(shì)與溫度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。這將為后續(xù)40Cr磨削溫度的數(shù)據(jù)處理提供可靠的依據(jù)。標(biāo)定試驗(yàn)所得到的熱電特性數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性將直接影響到40Cr磨削溫度測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。</p><p>　　本文采用的是比較法來(lái)標(biāo)定熱電偶。試驗(yàn)方案采用單接點(diǎn)動(dòng)態(tài)標(biāo)定方案。這種方法設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便，應(yīng)用廣泛。其原理如下：用40Cr－康銅這一對(duì)熱電偶和鎳鉻（NiCr）－康銅的標(biāo)準(zhǔn)熱電偶來(lái)感受同一個(gè)節(jié)點(diǎn)溫度，這樣就可以在同

50、一個(gè)溫度下測(cè)得兩個(gè)熱電勢(shì)的值，但是對(duì)于鎳鉻－康銅的標(biāo)準(zhǔn)熱電偶來(lái)說(shuō)，它的熱電特性數(shù)據(jù)是可以通過(guò)查《熱電偶分度手冊(cè)》得到的。那么就可以通過(guò)查標(biāo)準(zhǔn)熱電偶測(cè)出的電勢(shì)值來(lái)得到這點(diǎn)的溫度，這個(gè)溫度就和40Cr－康銅熱電偶測(cè)出的同一時(shí)間熱電勢(shì)對(duì)應(yīng)起來(lái)了。只要用這種方法測(cè)出每一個(gè)溫度，那么就可以標(biāo)定出40Cr－康銅熱電偶的熱電特性數(shù)據(jù)了[15]。</p><p>　　熱電偶標(biāo)定從原理來(lái)講是很簡(jiǎn)單的，但是要想得到準(zhǔn)確可靠的結(jié)果卻并

51、不容易。其中最大的困難是很難確保兩對(duì)熱電偶在連續(xù)升降溫的每一個(gè)瞬間都嚴(yán)格感受相同的溫度。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者、專家都在這方面進(jìn)行了深入的研究，其中本校徐鴻鈞教授研制出的熱電偶快速標(biāo)定裝置很好的解決了這一難題。圖2.2所示為該裝置的系統(tǒng)圖[16]。</p><p>　　a）快速標(biāo)定裝置 b）HP3562A動(dòng)態(tài)分析儀</p><p

52、>　　單接點(diǎn)快速動(dòng)態(tài)標(biāo)定方案的原理示意圖見(jiàn)圖2.3所示，為了使兩對(duì)熱電偶感受同一點(diǎn)上的溫度，先在待標(biāo)定的40Cr（圖中用C表示）做成的試樣一端加工出厚度不大于0.5mm的薄壁來(lái)，然后再將端部磨尖的康銅（圖中用A表示）、標(biāo)準(zhǔn)鎳鉻（圖中用B表示）絲以一定的彈簧壓力如圖所示從兩邊對(duì)準(zhǔn)頂緊在該薄壁上。由于薄壁處厚度極薄，兩根磨尖的熱電偶絲又是嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)頂緊的，所以這時(shí)完全可以認(rèn)為A、B、C三種材料是交匯在一個(gè)點(diǎn)上的，這個(gè)點(diǎn)就是公共的熱接點(diǎn)T

53、。熱電極A、B通過(guò)點(diǎn)T處的40CrC構(gòu)成標(biāo)定時(shí)給出溫度信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)熱電偶AB，熱電極A又與材料C也通過(guò)點(diǎn)T構(gòu)成待標(biāo)定熱電偶AC。由于這樣構(gòu)成的兩對(duì)熱電偶都是從同一點(diǎn)T引出的。所以當(dāng)以某種方式加熱材料C時(shí)，無(wú)論點(diǎn)T溫度如何變化，它們總是都感受這同一點(diǎn)上的溫度，從而就有效的保證了標(biāo)定的可靠性和準(zhǔn)確性了。</p><p>　　本裝置采用的加熱方式是用乙炔噴槍加熱的，它可以提供標(biāo)定時(shí)所需的溫度。在標(biāo)定的過(guò)程中，直接用乙炔噴

54、槍的火焰在40Cr試樣的端部加熱。然后用HP3562動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀同步采集下兩對(duì)熱電偶在加熱過(guò)程中的熱電勢(shì)。這樣就得到了實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的原始數(shù)據(jù)，再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理就可以得到40Cr-康銅熱電偶的熱電特性關(guān)系。</p><p>　　圖2.3 單接點(diǎn)快速動(dòng)態(tài)標(biāo)定方案的原理示意圖</p><p>　　2.2.2 標(biāo)定結(jié)果</p><p>　　在標(biāo)定的過(guò)程中，測(cè)出的熱電勢(shì)是在

55、熱電偶冷端的溫度做了一定的處理的情況下得到的，也就是說(shuō)熱電偶冷端的溫度為0℃，所以可直接查《熱電偶分度手冊(cè)》得到所需的NiCr－康銅標(biāo)準(zhǔn)熱電偶熱電特性數(shù)據(jù)，直接對(duì)測(cè)出的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。最后得到了40Cr－康銅熱電偶的標(biāo)定曲線，在Origin6.0軟件中擬合結(jié)果見(jiàn)圖2.4所示。</p><p>　　此標(biāo)定曲線是在冷端溫度為T(mén)0（T0=0℃）時(shí)標(biāo)定出來(lái)的，所以只有在冷端溫度為0℃時(shí)用此曲線的結(jié)果才準(zhǔn)確，否則就會(huì)給結(jié)

56、果造成一定的偏差。</p><p>　　基于以上標(biāo)定結(jié)果，可以對(duì)后續(xù)的磨削溫度測(cè)量熱電勢(shì)進(jìn)行分析，得出磨削40Cr在不同磨削用量條件下的磨削溫度。</p><p>　　第三章 溫度測(cè)量試驗(yàn)</p><p>　　磨削強(qiáng)化研究過(guò)程中，如何有效控制和檢測(cè)磨削溫度，將是優(yōu)化磨削強(qiáng)化效果的關(guān)鍵因素。為有效對(duì)40Cr進(jìn)行磨削強(qiáng)化，故對(duì)磨削過(guò)程中的表面溫度進(jìn)行測(cè)量。溫度測(cè)量的方

57、法很多，有熱電偶測(cè)溫、熱電阻測(cè)溫、紅外線測(cè)溫等，在本次試驗(yàn)中，考慮到試驗(yàn)的測(cè)溫環(huán)境及現(xiàn)有的試驗(yàn)條件采用半人工熱電偶進(jìn)行測(cè)溫。</p><p>　　3.1 40Cr鋼的簡(jiǎn)介</p><p>　　3.1.1 40Cr鋼</p><p>　　40Cr鋼是機(jī)械制造業(yè)使用最廣泛的鋼種之一。調(diào)質(zhì)處理后具有良好的綜合機(jī)械性能，良好的低溫沖擊韌性和低的缺口敏感性。鉻是強(qiáng)烈提高鋼

58、材淬透性的元素之一，含鉻1%左右的40Cr鋼，與碳素鋼相比其主要優(yōu)點(diǎn)是淬透性高，能獲得穩(wěn)定性比Fe3C高的合金滲碳體（Fe，Cr）3C。同時(shí)過(guò)熱傾向性比碳鋼小。40Cr鋼的淬透性良好，水淬時(shí)可淬透到φ28～60mm，油淬時(shí)可淬透到φ15～40mm。直徑25～30毫米以下的工件，一般可在油中淬透，當(dāng)其斷面在50毫米以下時(shí)，油淬后無(wú)共析的游離鐵素體析出；直徑30毫米以上的零件可采用水淬；形狀復(fù)雜的零件，水淬時(shí)易產(chǎn)生裂紋，故以油淬為宜。鉻對(duì)淬

59、透性的強(qiáng)烈作用是使鉻鋼得到廣泛應(yīng)用的主要原因。鋼中加入鉻，將使性能得到顯著地提高，其強(qiáng)度約比碳鋼高20%，并具有良好的塑性。此外，鉻能增加淬火鋼的回火穩(wěn)定性，回火后鉻大部分形成合金滲碳體（Fe，Cr）3C，少部分溶入鐵素體，從而提高了鐵素體的強(qiáng)度和韌性。本次試驗(yàn)所用材料的成分見(jiàn)表3-1。</p><p>　　表3-1 40Cr鋼的化學(xué)成分</p><p>　　3.1.2 40Cr鋼的特點(diǎn)

60、 </p><p>　　鉻能與碳形成碳化物，但從Fe-Cr-C狀態(tài)圖來(lái)看，在平衡狀態(tài)下的40Cr鋼中，鉻只有一部分形成合金滲碳體，而大部分還是溶于鐵素體中。</p><p>　　鉻使E、S點(diǎn)左移，因此，在退火狀態(tài)下，40Cr鋼與含碳量相同的40鋼相比，在40Cr鋼中，含有更多的珠光體，硬度更高。40Cr鋼在調(diào)質(zhì)處理的淬火加熱時(shí)。溶入奧氏體中的鉻，可使C曲線向右移，提高鋼的淬透性。40Cr

61、鋼的淬透性比40鋼大得多。同樣在油中淬火，40鋼的臨界直徑是5～9.5mm，而40Cr鋼可達(dá)25～30mm。鉻還可提高鋼的回火穩(wěn)定性，因此，40Cr鋼與40鋼相比，在相同溫度的高溫回火之后，40Cr鋼可獲得較高的綜合機(jī)械性能。由于鉻的影響，40Cr鋼具有較大的回火脆性傾向。試驗(yàn)表明，40Cr鋼在回火后快冷與緩冷的沖擊任性相差很大。因此，40Cr鋼在高溫回火后，要采取較快的冷卻。</p><p>　　3.1.3

62、40Cr鋼的用途</p><p>　　40Cr鋼的過(guò)熱傾向不大，淬透性較好，回火穩(wěn)定性較高，經(jīng)調(diào)質(zhì)能獲得較高的綜合機(jī)械性能。因此它是應(yīng)用最廣的調(diào)質(zhì)鋼之一，廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、拖拉機(jī)等上的主要零件，如連桿、連桿螺釘、傳動(dòng)軸、轉(zhuǎn)向軸以及機(jī)床上的主軸、齒輪等用于承受交變負(fù)荷、中等速度、中等負(fù)荷、強(qiáng)烈磨損而無(wú)很大沖擊的重要零件。</p><p>　　3.2 40Cr鋼磨削強(qiáng)化的可行性分析</p

63、><p>　　由于磨削加工在工業(yè)中應(yīng)用廣泛，基于材料去除及切削形成原理的磨削功率轉(zhuǎn)換為磨削熱能的機(jī)理已得到深入研究。在磨削加工中，當(dāng)工件表面材料被磨削熱加熱到一定溫度時(shí)將會(huì)產(chǎn)生相變。</p><p>　　目前熱處理工藝和磨削工藝存在著兩個(gè)主要缺點(diǎn)：⑴雖有多種表面淬硬熱處理工藝，但都很難集成到產(chǎn)品生產(chǎn)線上；⑵工件在需進(jìn)行磨削加工時(shí)，磨削熱和機(jī)械作用可能對(duì)已淬硬的材料造成損傷。這兩個(gè)問(wèn)題促使人們考

64、慮如何利用磨削加工中所產(chǎn)生的熱量和機(jī)械作用直接對(duì)工件表面進(jìn)行淬硬，即磨削淬硬。</p><p>　　40Cr是低碳合金鋼，鉻的加入使鋼的淬透性得以改善。40Cr是制造大型工件（例如齒輪等）的合適材料，大型的工件留有較大的切削余量，使磨削過(guò)程中進(jìn)行大材料去除量的磨削成為可能。從磨削實(shí)驗(yàn)表明隨著磨削深度αp的增加磨削產(chǎn)生的熱量就越大，從而為表面熱處理提供足夠的熱量。</p><p>　　為得到

65、滿意的磨削淬硬結(jié)果，需在磨削加工時(shí)產(chǎn)生大量磨削熱及獲得最佳熱量擴(kuò)散分配比，因此磨削淬硬工藝不宜使用冷卻潤(rùn)滑液。但當(dāng)工件體積太小，不足以滿足自身淬火功能要求時(shí)，可使用冷卻液幫助實(shí)現(xiàn)工件淬火。</p><p>　　3.3 測(cè)溫的目的與意義</p><p>　　磨削區(qū)溫升是發(fā)展磨削強(qiáng)化處理技術(shù)的關(guān)鍵。鋼鐵材料強(qiáng)化處理的成功與否，取決于材料受到的溫升與冷卻條件能否滿足強(qiáng)化條件，因此如能對(duì)磨削區(qū)溫

66、升和冷卻條件能進(jìn)行有效的控制，即控制材料表面溫升狀況和冷卻速度，則可在磨后材料表面得到強(qiáng)化的效果，因此如何控制磨削區(qū)溫升達(dá)到材料強(qiáng)化處理?xiàng)l件及溫度冷卻速度，將是本研究的重點(diǎn)[17]。由于鋼鐵材料強(qiáng)化處理?xiàng)l件會(huì)隨著材料性質(zhì)而異，因此本研究首先應(yīng)對(duì)各種鋼鐵材料強(qiáng)化處理?xiàng)l件有基本的了解，確認(rèn)材料強(qiáng)化處理所需的溫升與冷卻條件，作為選擇實(shí)驗(yàn)材料的依據(jù)，再者則是探討磨削理論，了解磨削熱行為對(duì)磨削區(qū)溫升的影響，以找尋控制磨削區(qū)溫升的方法。最后，借助實(shí)

67、驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證理論推導(dǎo)的準(zhǔn)確性，并對(duì)材料硬化的相關(guān)因素進(jìn)行探討，以對(duì)磨削硬化處理的技術(shù)能有更深入的了解。至于磨削區(qū)溫升的控制方法，須針對(duì)影響磨削區(qū)溫升的因素來(lái)著手，諸如加工參數(shù)、砂輪、材料性質(zhì)等，由于加工參數(shù)為磨削工藝的主要變數(shù)，對(duì)磨削區(qū)溫升的影響最直接，因此若能了解加工參數(shù)與磨削區(qū)溫升間的關(guān)聯(lián)性，則可借助調(diào)整加工參數(shù)來(lái)達(dá)到控制磨削區(qū)溫升的目的。雖然磨削的加工參數(shù)會(huì)直接影響磨削區(qū)溫升情形，但在磨削理論的探討中，加工參數(shù)與磨削區(qū)溫</p&

68、gt;<p>　　3.4 磨削用量條件的優(yōu)化</p><p>　　為優(yōu)化磨削參數(shù)，分別通過(guò)兩種單因素方法進(jìn)行了磨削強(qiáng)化試驗(yàn)，試驗(yàn)主要通過(guò)改變切削深度（ap）和機(jī)床進(jìn)給速度（Vw）來(lái)改變磨削區(qū)表面的溫升。當(dāng)切深ap分別為0.05mm、0.10mm、0.15mm、0.20mm、0.25mm、0.30mm時(shí)，磨削強(qiáng)化試樣的顯微硬度如圖3-1所示；當(dāng)Vw分別為0.2 m/min、0.3 m/min、0.4

69、5 m/min、0.7 m/min、1.0 m/min時(shí)，磨削強(qiáng)化試樣的顯微硬度如圖3-2所示。</p><p>　　圖3-1 切深對(duì)顯微硬度的影響</p><p>　　圖3-2 進(jìn)給對(duì)顯微硬度的影響</p><p>　　從圖3-1可以清楚地看出當(dāng)切深改變時(shí)硬度梯度曲線也有明顯的改變。曲線圖中虛線表示硬度超過(guò)此線的為硬化區(qū)，所以可得當(dāng)切深ap﹤0.2mm時(shí)

70、，硬化層隨ap的增加而加深，而當(dāng)切深ap﹥0.2mm時(shí)，硬化層隨ap的增加而變淺。由此可得存在一個(gè)最佳的切削深度，在此切削深度時(shí)硬化層最深。在本次試驗(yàn)中暫定切深ap=0.2mm。</p><p>　　從圖3-2可以清楚地看出當(dāng)切深改變時(shí)硬度梯度曲線也有明顯的改變。曲線圖中虛線表示硬度超過(guò)此線的為硬化區(qū)，所以可得當(dāng)進(jìn)給速度Vw﹤0.3m/min時(shí)，硬化層隨Vw的增加而加深，而當(dāng)進(jìn)給Vw﹥0.3m/min時(shí)，硬化層隨

71、Vw的增加而變淺。由此可得存在一個(gè)最佳的進(jìn)給速度，在此進(jìn)給速度時(shí)硬化層最深。在本次試驗(yàn)中暫定進(jìn)給速度Vw=0.3m/min。</p><p>　　由試驗(yàn)及考慮到表面質(zhì)量問(wèn)題暫取砂輪的線速度為Vs=20m/s。</p><p><b>　　3.5 溫度測(cè)量</b></p><p>　　3.5.1 磨削溫度測(cè)量系統(tǒng)</p><

72、;p><b>　　1.實(shí)驗(yàn)用機(jī)床</b></p><p>　　根據(jù)現(xiàn)有條件，實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)選在505現(xiàn)代制造技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)用機(jī)床選用MMD7125型精密平面磨床(圖3－3)。</p><p>　　圖3-2 MM7125型精密平面磨床</p><p><b>　　2.試樣制備</b></p><p&g

73、t;　　試樣尺寸為14×14×6（mm×mm×mm），采用線切割機(jī)床加工試樣。在線切割之前，先將棒料在銑床上銑成規(guī)則長(zhǎng)方體，再在線切割機(jī)床上切割成規(guī)定的尺寸，即14×14×6（mm×mm×mm）。</p><p>　　3.砂輪的安裝[18][19]</p><p>　　實(shí)驗(yàn)用砂輪選用樹(shù)脂結(jié)合劑棕剛玉砂輪。砂輪使

74、用前，先調(diào)節(jié)其靜平衡，安裝之后修整砂輪；修整之后，再次調(diào)節(jié)砂輪的靜平衡。</p><p>　　砂輪調(diào)節(jié)靜平衡原理：將砂輪兩側(cè)等直徑的軸放在水平安裝的兩個(gè)平行的鋼制刀口形導(dǎo)軌或圓柱形導(dǎo)軌上。由于砂輪質(zhì)心偏離回轉(zhuǎn)軸線，在重力矩的作用下，砂輪在導(dǎo)軌上滾動(dòng)，直到砂輪質(zhì)心處于鉛垂線下方時(shí)才停止。然后，在通過(guò)砂輪軸線的鉛垂線上方，即砂輪質(zhì)心所在的反方向某半徑處，加上平衡質(zhì)量，并逐步調(diào)整所加平衡質(zhì)量的大小，直至砂輪在任意位置都

75、能保持靜止不動(dòng)。</p><p>　　實(shí)際應(yīng)用時(shí)，平衡質(zhì)量為三塊相同的質(zhì)量塊，當(dāng)砂輪第一次靜止時(shí)，在砂輪質(zhì)心所在的反方向某半徑處加一個(gè)平衡塊，然后在此平衡塊的對(duì)稱位置再分別加一塊平衡塊，調(diào)節(jié)這兩個(gè)平衡塊的位置，使砂輪在任意位置都能保持靜止不動(dòng)。</p><p>　　4.磨削溫度測(cè)量系統(tǒng)</p><p>　　試驗(yàn)溫度測(cè)量系統(tǒng)示意圖如圖3-4所示，磨削測(cè)溫裝置如圖3-5

76、所示。</p><p>　　1．砂輪 2．工件 3．云母片 4．康銅絲 5.夾具 6.動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀</p><p>　　圖3-4磨削溫度測(cè)量系統(tǒng)示意圖</p><p>　　圖3-5磨削測(cè)溫裝置 </p><p>　　3.5.2 磨削測(cè)溫</p><p>　　試驗(yàn)?zāi)康模簻y(cè)定棕鋼玉砂輪在砂輪線速度Vs=20m/s，工作

77、臺(tái)進(jìn)給速度Vw=0.3m/s，以某一特定的切深對(duì)試樣進(jìn)行切削時(shí)，試樣表面的溫度變化曲線，從圖中分析最高溫度是否滿足鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變的條件，溫度的冷卻速度是否滿足奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變的臨界冷卻速度，40Cr的鐵碳相圖見(jiàn)圖3-6所示，奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變C曲線如圖3-7所示。并且聯(lián)系溫度和切深的關(guān)系，進(jìn)一步分析切深對(duì)試樣硬化層深度的影響。</p><p>　　試驗(yàn)過(guò)程：在MMD7125精密平面磨床上，棕剛玉砂輪分別以0

78、.2mm和0.25mm兩種切深對(duì)40Cr工件進(jìn)行磨削加工，采用夾絲的方法對(duì)試樣在加工過(guò)程中的溫度進(jìn)行測(cè)定，記錄下溫度的變化曲線。夾絲方法如圖3-8所示。取從砂輪接觸試樣到離開(kāi)試樣的這一段時(shí)間為采樣周期，其中切深為ap=0.2mm時(shí)的溫度變化曲線如圖3-9所示。</p><p>　　圖3-6 鐵碳相圖[20]</p><p>　　圖3-7 40Cr連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變C曲線[21]</

79、p><p><b>　　3-8 夾絲圖</b></p><p>　　圖3-9 40Cr溫度曲線（切深0.20mm）</p><p>　　圖3-10 40Cr溫度曲線（切深0.25mm）</p><p>　　由圖3-9可知當(dāng)切深為0.2mm時(shí)，試樣表面的最高溫度可達(dá)900℃左右。40Cr的含碳量為0.37%～0.45%，

80、因此由圖3-6可知40Cr基體向奧氏體轉(zhuǎn)變的最低溫度為740℃左右，常規(guī)熱處理一般是加熱到840℃～870℃后保溫半小時(shí)左右對(duì)40Cr淬火，所以試樣表面的溫升足以讓試樣奧氏體。按傳統(tǒng)熱處理經(jīng)驗(yàn)在如此高溫必將形成燒傷，而為何在此試驗(yàn)中試樣沒(méi)被燒傷呢，這是因?yàn)楹统Ｒ?guī)熱處理相比磨削淬火沒(méi)有保溫的過(guò)程，冷卻較快來(lái)不及形核,因此不會(huì)燒傷。而從圖3-10可以看出溫度為1000℃左右，由試驗(yàn)結(jié)果可得此溫度均能有效保證40Cr調(diào)質(zhì)鋼的表面淬火。比較圖3

81、-9和圖3-10可得切深越大溫度越高。</p><p>　　由圖3-7知當(dāng)從最高溫到奧氏體開(kāi)始向馬氏體轉(zhuǎn)變溫度的這一溫度區(qū)間中奧氏體連續(xù)冷卻速度大于30℃/S時(shí)，奧氏體直接轉(zhuǎn)化為馬氏體組織。而由圖3-9和圖3－10知溫度的連續(xù)冷卻速度遠(yuǎn)大于30℃/S，所以在干磨的情況下奧氏體的冷卻速度完全可以滿足直接向馬氏體轉(zhuǎn)變的要求。</p><p>　　第四章 試驗(yàn)結(jié)果及其分析</p>

82、<p>　　4.1 40Cr磨削強(qiáng)化試驗(yàn)顯微硬度梯度分析</p><p>　　實(shí)驗(yàn)?zāi)康模罕容^棕鋼玉砂輪在砂輪線速度VS=20m/s，工作臺(tái)進(jìn)給速度Vw=0.3m/min時(shí)，切深ap對(duì)磨削強(qiáng)化效果的影響。磨削淬硬試驗(yàn)條件如表4-1所示。 </p><p>　　表4-1 磨削強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)條件</p><p>　　實(shí)驗(yàn)過(guò)程：采用尺寸為：14×14&#

83、215;6(mm×mm×mm)的40Cr試樣，在MMD7125精密平面磨床上，棕剛玉砂輪分別以0.20mm，0.25mm兩種切深對(duì)40Cr工件進(jìn)行磨削加工。然后將磨削硬化后的試樣按磨金相的要求將截面磨好,但不需要腐蝕,即在拋光狀態(tài)下上HSX-1000型全自動(dòng)顯微硬度測(cè)試儀（圖4-1）沿深度方向進(jìn)行顯微硬度測(cè)量。測(cè)量時(shí)先將機(jī)器打開(kāi)，將加載重量調(diào)到100g，加載時(shí)間調(diào)到15s，然后在顯微鏡下調(diào)到能看到顯微組織，并將視野調(diào)

84、整到淬硬層表面處。最后自動(dòng)加載，加載完后測(cè)量出壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度，機(jī)器即可自動(dòng)算出Hv值。然后重復(fù)上述步驟，沿深度方向依次測(cè)量出各點(diǎn)硬度。維氏硬度實(shí)驗(yàn)的壓頭與壓痕示意圖如圖4-2，顯微硬度測(cè)量示意圖如圖4-3。</p><p>　　圖4-1 顯微硬度計(jì)</p><p>　　圖 4-2 維氏硬度實(shí)驗(yàn)的壓頭與壓痕示意圖</p><p>　　圖4-3 顯微硬度測(cè)量示意圖&l

85、t;/p><p>　　40Cr鋼變切深磨削強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)顯微硬度梯度如圖4-4所示。</p><p>　　(a) 40Cr硬度曲線（切深0.20mm）</p><p>　?。╞） 40Cr硬度曲線 (切深0.25mm)</p><p>　　圖4-4 40Cr硬度梯度曲線</p><p>　　由圖4-4可以清楚地看到試樣硬度大致

86、可分為三個(gè)區(qū)域，過(guò)度比較明顯。當(dāng)切深為0.2mm時(shí)淬硬層的深度為0.7mm左右，而當(dāng)切深為0.25mm時(shí)淬硬層深度可達(dá)1.2mm左右。由此可知在一定的范圍內(nèi)，切深越大淬硬層越厚。結(jié)合上次所得的硬度曲線圖3-1可知可得最大淬硬層的切削深度在0.25mm～0.3mm之間。本次試驗(yàn)由于時(shí)間倉(cāng)促未能找出此最優(yōu)參數(shù)，后續(xù)試驗(yàn)應(yīng)進(jìn)一步找出此最優(yōu)參數(shù)。</p><p>　　圖中曲線所示硬化層硬度不是很均勻，這是因?yàn)榇阌矊又猩杏?/p>

87、殘余奧氏體和少量碳化物的原因，打硬度時(shí)打在奧氏體上硬度就相對(duì)較低，打在碳化物上則硬度相對(duì)較高。</p><p>　　4.2 硬化層金相分析</p><p>　　金相能反映金屬及合金在一定工藝條件（例如鑄造、鍛壓、焊接、熱處理等）下所呈現(xiàn)的內(nèi)部組織。通過(guò)對(duì)金相的研究來(lái)顯示鋼鐵材料經(jīng)過(guò)各種熱加工工藝處理后的斷口和顯微組織行貌，以及反映各種鋼鐵材料的成分、組織、工藝和性能之間的關(guān)系，有助于提高

88、鋼鐵材料的內(nèi)在質(zhì)量，正確地選擇和控制各種熱加工工藝，對(duì)鋼鐵材料的合適選用和充分發(fā)揮其潛在性能作出一定的貢獻(xiàn)。本次試驗(yàn)中使用數(shù)碼相機(jī)對(duì)磨削淬硬后的40Cr顯微組織進(jìn)行了拍攝，拍攝圖片如圖4-2所示。</p><p>　　(a) 40Cr淬硬區(qū)800X (切深0.2mm)</p><p>　　(b) 40Cr過(guò)渡區(qū)800X (切深0.2mm)</p><p>　　(c)

89、 40Cr基體800X （切深0.2mm）</p><p>　　(d) 40Cr整體80X (切深0.2mm)</p><p>　　(e) 40Cr淬硬區(qū)800X (切深0.25mm)</p><p>　　(f) 40Cr過(guò)渡區(qū)800X （切深0.25mm）</p><p>　　(g) 40Cr基體800X (切深0.25mm)</p&

90、gt;<p>　　圖4-2 金相照片</p><p>　　從圖4-2（d）可以看出，磨削淬硬后試樣由表及里依次為完全硬化層、過(guò)渡層和基體，三個(gè)區(qū)域的分界比較明顯。當(dāng)切削深度改變后淬硬層的組織成分基本沒(méi)變（如圖a、e）。磨削硬化層按隨深度增加而變化的特征，可分為表面層、中間層和里層。由圖e可知，表面層是細(xì)小均勻的針狀馬氏體；中間層是略微粗大的針狀馬氏體、殘余奧氏體和少量點(diǎn)狀碳化物；里層是比表面更加細(xì)

91、小的針狀馬氏體、殘余奧氏體和少量點(diǎn)狀碳化物。由此可知，從表面層到里層，完全硬化區(qū)的組織形貌呈現(xiàn)出“細(xì)～粗～細(xì)”的變化規(guī)律。這是因?yàn)榇阌矊颖砻嫔峥?，而底層熱量向試樣基體擴(kuò)散比表面向空氣中散熱更快，中間層熱量向表面和底層散熱冷卻較慢造成的。</p><p>　　過(guò)渡區(qū)由均勻細(xì)小的針狀馬氏體和回火索氏體（珠光體）組成(如圖b、f)。該區(qū)受表層向基體傳熱的影響，溫度處于Ａc1～c3之間而部分奧氏體化，并因基體的迅速吸熱

92、而快速冷卻，從而形成了上述混合組織；與完全硬化區(qū)相比，其針狀馬氏體更小。這是因?yàn)檫^(guò)渡區(qū)的散熱比完全硬化層的底部更快[22]。</p><p>　　由于試樣材料為調(diào)質(zhì)的40Cr,所以基體為回火索氏體（如圖c、g）。</p><p>　　4.3 淬硬層硬度厚度穩(wěn)定性分析</p><p>　　實(shí)驗(yàn)?zāi)康模候?yàn)證磨削淬火工藝在不同橫截面上的硬度和淬硬層厚度是否均勻。以此也可以

93、來(lái)測(cè)定磨削淬火工藝的工藝穩(wěn)定性，從而可以驗(yàn)證將來(lái)磨削淬火工藝大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用的可行性。</p><p>　　淬硬層厚度均勻性驗(yàn)證：由于溫度測(cè)定的需要，每種試樣都是從中間分成兩塊的。前一塊由于剛開(kāi)始時(shí)磨削熱不足，沒(méi)有淬硬層或淬硬層很薄，因此前一塊厚度不穩(wěn)定；后一塊由于磨削熱穩(wěn)定，淬硬層厚度也就相對(duì)穩(wěn)定。為了更好的檢驗(yàn)淬硬層厚度的穩(wěn)定性，我們選后一塊沿磨削方向磨制金相，拋光好后上顯微硬度儀沿不同的線在硬化層的等厚度上

94、測(cè)量硬度，然后比較。然后將試樣腐蝕拍照片，觀看硬化層厚度的穩(wěn)定性。腐蝕好的金相組織如圖4-2（b）所示。</p><p>　　由圖4-2（b）所示低倍下的40Cr調(diào)質(zhì)鋼截面內(nèi)淬硬層全貌圖，憑目測(cè)就可以明顯看到淬硬層的厚度均勻性很好。淬硬層與基體的分界線非常明顯，且?guī)缀跖c外表面與鑲嵌層的交線平行。因此由好的均勻性，就可以推斷出淬硬層厚度在整個(gè)磨削硬化平面內(nèi)都是均勻的。</p><p>　　淬

95、硬層硬度均勻性驗(yàn)證：仍以切深0.2mm的40Cr鋼試樣為例來(lái)說(shuō)明問(wèn)題。采用圖4-2（b）所示的平面內(nèi)的金相，刨光后上顯微硬度儀，在一塊合適的區(qū)域內(nèi)確定5根線，這5根線的間距為1.5mm，這5根線的方向?yàn)樯疃确较蚺c外表面垂直。然后在每根線上處于淬硬層的部分取3點(diǎn)并測(cè)其硬度，這3點(diǎn)間距相等都為0.15mm，且第一個(gè)點(diǎn)與外表面的距離相等。所測(cè)數(shù)據(jù)如表4-1所示。</p><p>　　表4-1 40Cr調(diào)質(zhì)鋼淬硬層5線3

96、點(diǎn)硬度表</p><p>　　之所以選線間距1.5mm，是為了保證能夠在一個(gè)較寬的范圍內(nèi)進(jìn)行比較，使比較結(jié)果具有較好的代表性。每一條線上的點(diǎn)間距0.15mm，是為了保證各點(diǎn)都落在淬硬層范圍之內(nèi)，而且又能夠在最大的程度上覆蓋整個(gè)淬硬層，從而使得所測(cè)得硬度值能夠很好的代表整個(gè)淬硬層。</p><p>　　由表中數(shù)據(jù)可看出淬硬層硬度在縱向方向的硬度值基本一致,因此具有較好硬度穩(wěn)定性。之所以硬度值

97、呈現(xiàn)一定的波動(dòng)是因?yàn)榻M織中存在硬性粒子和和一些較軟的區(qū)域。測(cè)硬度時(shí)壓頭落在這些區(qū)域，所以會(huì)引起已硬度值的波動(dòng)。</p><p>　　總體評(píng)價(jià)：總之，由以上的厚度驗(yàn)證和硬度驗(yàn)證結(jié)果，可知淬硬層在整個(gè)淬硬面內(nèi)的厚度和硬度都較均勻。由此可知，只要磨削熱相同的情況下，就具有較穩(wěn)定的淬硬層厚度和硬度。要做到相同的磨削熱只要用相同的磨削工藝參數(shù)，因此在磨削工藝參數(shù)相同的情況下，就應(yīng)具有較穩(wěn)定的淬硬層厚度和淬硬層硬度。因此可知

98、磨削淬火工藝具有較好的可重復(fù)性和工藝穩(wěn)定性。由此可知磨削淬火工藝具有較好的工業(yè)應(yīng)用可能性，相信不久的將來(lái)必能實(shí)現(xiàn)其大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用。</p><p>　　第五章 結(jié)論與展望</p><p><b>　　5.1 結(jié)論</b></p><p>　　本文從磨削加工及金屬表面熱處理的基本原理出發(fā)，在優(yōu)化的磨削用量條件下對(duì)40Cr鋼的表面淬火新技術(shù)進(jìn)

99、行了初步研究。研究的過(guò)程中采取以試驗(yàn)為主，結(jié)合必要的理論分析的方法。主要是針對(duì)工藝參數(shù)（切深）對(duì)熱源強(qiáng)度，淬硬層深度的影響加以研究。結(jié)論如下：</p><p>　　1. 由磨削溫度測(cè)量曲線可知，在平面磨削中，如進(jìn)給速度和砂輪轉(zhuǎn)速不變，則40Cr鋼的材料去除率和切削等效厚度與切削深度ap成正比。隨著切削深度ap的增加，進(jìn)入工件表面的能量也相應(yīng)增加，在一定的范圍內(nèi)產(chǎn)生的淬硬層深度也相應(yīng)變大。</p>&

100、lt;p>　　2. 金相組織照片顯示，硬化層磨削硬化層由完全硬化區(qū)和過(guò)渡區(qū)組成;完全硬化區(qū)由細(xì)小針狀馬氏體、殘余奧氏體和少量點(diǎn)狀碳化物組成，過(guò)渡區(qū)由馬氏體和回火索氏體(珠光體)組成;從表面到里層，組織形貌呈現(xiàn)“細(xì)～粗～細(xì)”的變化規(guī)律，淬硬顯微組織可以滿足熱處理要求。</p><p>　　3.從硬度梯度曲線上可以清楚地看出磨削所得的淬硬層深度可達(dá)1.2mm左右。</p><p>　　4

101、.從溫度變化曲線可以看出：在一定的磨削用量條件，干磨的情況下溫度的冷卻速度已經(jīng)滿足奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變的要求，不需用冷卻液加速冷卻。</p><p>　　5.從硬度變化曲線上可知淬硬區(qū)的硬度在HV512-700之間，完全可以滿足表面強(qiáng)化的要求。</p><p><b>　　5.2 展望</b></p><p>　　如前所述，由于40Cr鋼的表面

102、淬硬新技術(shù)具有一系列優(yōu)點(diǎn)，因此它在未來(lái)的機(jī)械加工中必將得到廣泛的運(yùn)用，在制造業(yè)中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。本文雖然進(jìn)行了一系列40Cr鋼的磨削淬硬試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了一定的分析，但是在許多方面還存在不足，具體需要完善的工作總結(jié)如下：</p><p>　　1.磨削加工所得試樣表面粗糙度有待進(jìn)一步改善。在后續(xù)研究中應(yīng)對(duì)控制表面粗糙度做進(jìn)一步的研究。</p><p>　　2.工件殘余應(yīng)力的測(cè)量。

103、殘余應(yīng)力的大小及性質(zhì)對(duì)工件的使用性能具有重要的影響。本次試驗(yàn)未對(duì)殘余應(yīng)力進(jìn)行檢測(cè)及分析，后續(xù)研究須對(duì)此做進(jìn)一步完善的工作。</p><p>　　3.磨削強(qiáng)化工藝參數(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化。如磨削強(qiáng)化技術(shù)要在工業(yè)實(shí)踐中得到大規(guī)模運(yùn)用，必須對(duì)該種材料的加工工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，在保證加工效率的同時(shí)還要保證加工零件的質(zhì)量。</p><p>　　4.磨削強(qiáng)化過(guò)程的計(jì)算機(jī)仿真。在進(jìn)行了一系列相關(guān)試驗(yàn)后，運(yùn)用有限元

104、仿真技術(shù)可以模擬磨削強(qiáng)化的加工狀態(tài)，奠定試驗(yàn)研究的理論基礎(chǔ)，減少試驗(yàn)工作量，有利于磨削淬硬試驗(yàn)研究的深入開(kāi)展，加快研究步伐。</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　在畢設(shè)期間，指導(dǎo)老師肖冰副教授在學(xué)習(xí)上悉心指導(dǎo)和嚴(yán)格要求，為我創(chuàng)造了良好的學(xué)習(xí)環(huán)境。從課題的開(kāi)始到本文的最后成文，無(wú)不滲透著導(dǎo)師的大量心血。導(dǎo)師嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科研態(tài)度、孜孜以求的

105、敬業(yè)精神和晦人不倦的育人作風(fēng)永遠(yuǎn)是我學(xué)習(xí)的榜樣。在此，向肖老師致以衷心的感謝和崇高的敬意！</p><p>　　在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中材料學(xué)院的蘇宏華副教授和金相實(shí)驗(yàn)室王蕾老師對(duì)我們做了大量的指導(dǎo)，在此深表謝意！</p><p>　　感謝嚴(yán)明華碩士和李曙生博士在畢設(shè)過(guò)程中給予我的幫助!</p><p>　　感謝蒞臨指導(dǎo)的各位老師！</p><p>&l

106、t;b>　　參 考 文 獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] T. Brockhoff. Grind-Hardening: A Comprehensive View. Annals of the CIRP, 1999, 48（1）: 255~260</p><p>　　[2] E. Brinksmeier, T. Brockhoff. Utilization of Gr

107、inding Heat as a New Heat Treatment Process. Annals of the CIRP, 1996, 45（1）：283~286</p><p>　　[3] 葛培琪等. 磨削淬硬——磨削加工與表面淬火集成制造技術(shù). 工具技術(shù). 2001，35（1）</p><p>　　[4] E. Brinksmeier, T. Brockhoff. Randsch