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曲轴磨削加工中的问题工业插座

2022年07月28日

曲轴磨削加工中的问题

曲轴磨削加工中的问题 2011年12月10日来源：曲轴磨削加工中的问题产生磨削裂纹的原因是复杂的，因素很多。如材料的物理性能，化学成分；铸造、锻压毛坯带来的各种缺陷；淬火、氮化等热处理不当等等，都会影响到磨削时出现裂纹。本文所研究的问题，仅限于磨削过程带来的裂纹。为了提高曲轴的疲劳强度和耐磨性，对主轴颈和连杆颈进行中频淬火(包括圆角)或氮化等方法进行强化。对于中频淬火，特别是硬氮化的轴颈，由于磨削方法不当，极易产生裂纹。裂纹对在工作中承受极大负荷的曲轴来说，是引起曲轴断裂的致命缺陷，因此，是绝对不能允许的。解决磨削裂纹的难度很大。一直困扰着一些企业。现在一般使用低应力磨削法，实践证明这是一种有效的方法，但也存在一些问题。 1　低应力磨削低应力磨削是解决磨削裂纹的较好途径，目前在国内外使用较为广泛。低应力磨削采用的方法是:选用砂轮的硬度很软，粒度偏粗，磨削速度低，进给量小。在使用极压磨削液的条件下，可在磨削表面内0.025mm处，形成小于120MPa的残留应力，由于应力小，且大多为压应力，因此不产生裂纹。根据低应力磨削原理，曾应用于磨削硬氮化的302曲轴，效果较好。所磨主轴颈经探伤检测，没有裂纹。其磨削条件及工艺参数如下:曲轴材料42CrMn，氮化深度≥0.5mm，硬度HV450，在M131外圆磨床上磨主轴颈外圆，砂轮为棕刚玉，粒度46，硬度H(软2)，工件转速120r/min，砂轮速度26m/s，径向进刀量0.003mm，磨削液为硫化油。虽然低应力磨削是解决磨削裂纹常用的一种有效办法，但其效率太低，不适用于大批量生产。而且太软偏粗的砂轮，对保证曲轴的精度和粗糙度极为不利，要勤修砂轮，砂轮消耗大，加工成本高。在没有砂轮自动修整器的情况下，辅助时间长，影响生产效率。为此提出了探讨高效无裂纹磨削工艺的课题。 2　磨削应力及裂纹产生过程曲轴的机械加工过程中，会产生残留应力，磨削加工也不例外，有关研究表明，它的残留应力是由塑变应力、热变应力及相变应力三部分构成。对于表面淬火的曲轴，特别是硬氮化的曲轴，表面是一层硬壳，硬度为HV≥420(HR15N≥82)，硬则脆，脆极易产生裂纹。脆则塑性差，因此硬而脆的表面，产生塑性变形应力的可能性很小，可以不考虑。磨削过程由摩擦、挤压及切削三过程组成。磨削过程中的摩擦和挤压剧烈时，它的能量绝大部分将转化为热能，其中传入工件的达到了80%，大量的热能使磨削区域的温度达到500℃-800℃，而磨粒的切削刃与切屑接触点的温度，瞬时值可达1000℃，传入工件的高温又集中于磨削部位的表层，表层温度高，里层温度低，表层及里层受热膨胀的体积大小因温度差不能同步，相互之间的牵制作用，形成了热变应力。对于表面硬度高的轴颈，这是磨削中残留应力的最主要部分。磨削时的表层温度若超过720℃左右的相变温度时，表层组织要发生相变，不同的金相组织，其体积大小是不同的，体积的增大与缩小，与金相组织的类型有关，外层金相组织改变而内层不变，相互之间的牵制作用，形成了相变应力，若将磨削时的表层温度控制在720℃范围内，不产生相变，也就不会形成相变应力。当磨削时表层温度超过相变温度720℃时，在温度剧升和相变的双重因素作用下，表层的体积向外膨胀，沿周边伸长，温度向内层传递较慢，里层温度低，膨胀也慢，它阻碍外层膨胀，使外层在周边上不能伸长，造成外层的压应力，这时不会产生裂纹。当磨削液使工件冷却时，表层迅速收缩，这时里层温度变化不大，不能同步收缩，里层对表面极薄层收缩的阻碍作用，形成表层的拉应力，使表层开裂，出现裂纹。总之，拉应力产生裂纹，压应力有利于提高工件的疲劳强度。 3　不产生磨削裂纹的工艺途径从产生裂纹的机理中可知，产生裂纹的根本原因，是磨削过程产生了高温。因此，磨削时工件不产生高温，或将高温在传入工件表层前将其带走，从这两方面着手，才是解决磨削裂纹的根本途径。高温绝大多数来源于磨削过程中的摩擦和挤压，减少摩擦和挤压是降低温度的关键。只有磨粒刃口锋利时，磨削过程是切削过程占主导地位，摩擦、挤压很轻微，产生的热量小，表层温度自然就低了。只要做到刃口锋利，并能维持较长时间的锋利。加强润滑，减小摩擦、挤压，也延长了锋利刃口的寿命。当刃口钝化时，应及时修整砂轮。基于上述认识，决定从下列五个方面开展工作。 3.1　砂轮磨料是关键，选择合适的砂轮。对磨料性能的要求是硬度高，抗弯强度大，耐热性能好(热稳定性好)刃口锋利，且自锐能力强，耐磨性能高，能长期维护刃口锋利。磨料中棕刚玉价位低，其性能较差。白玉较好，铬刚玉、单晶刚玉和微晶刚玉则更好一些。有一些混合磨料性能也能满足要求。最理想的磨料为立方氮化硼(CBN)各种性能均优于刚玉类磨料，其显微硬度是刚玉的3—5倍，抗弯强度为其3.5倍，耐磨性能是刚玉的100倍。因此能长时间保持刃口的锋利，不会产生烧伤和裂纹。但其价格昂贵，修整困难。通过试验找到了价位适中，又能满足工艺要求的砂轮。 3.2　要使用自动砂轮修整器。必须做到磨一个轴颈，修一次砂轮，始终保持砂轮刃口的锋利性。 3.3　选择润滑性能好的磨削液，如含极压成份的切削液，硫化切削油等。在保证工艺要求的前提下，要考虑环保要求。 3.4　具有较大压力和流量的供液装置。磨削时能将充分的磨削液送入磨削区，进行高效的润滑、冷却和清洗，将热量带走，降低磨削区的温度，并避免砂轮堵塞。 3.5　具有高效的磨削液过滤装置。磨削液中的砂粒，铁屑等杂质，不仅对曲轴的精度、粗糙度有不利影响，而且它会破坏润滑膜，成为裂纹源。因此必须将磨削液中的杂质过滤清除。 4　无裂纹的高效磨削四年前，根据前述分析和思路，选择了合适的磨床，完善其功能。进行了一系列试验，从中优选出较好的工艺方案，用于批量生产。基本解决了淬火和硬氮化处理的曲轴，在普通磨削(磨削V=30m/s)和高速磨削(V=50m/s)的条件下无裂纹。这几年，已用于各类曲轴的大批量生产。其中，很多曲轴出口国外，取得了好的经济效果。以磨削302硬氮化曲轴连杆颈为例，介绍其有关参数。使用的磨床是KA500×1250CNC-S(德)半自动连杆颈磨床，该磨床具有数控砂轮修整器，磨完一个连杆颈后，能自动修整砂轮一次。使用压力大、流量大的水泵，三个喷嘴对砂轮清洗，润滑冷却磨削区。压力1.5-1.8Mpa。主喷嘴流量10-14L/S，用于砂轮及轴颈外圆的冷却润滑。每个支喷嘴流量6-8L/S，用于圆角及侧面。实验证明流量过小或过大均会产生裂纹。流量大小，还要根据工件材质和热处理状况进行调整。磨削液使用磁性过滤器和涡旋分离器双重过滤系统净化处理，净化率可达到大于99%。砂轮使用刚玉类混合磨料，60粒度，M级(中1)硬度，高速磨削V=50m/s。其主要参数与低应力磨削的比较见表2。由于使用了高速磨削，其进给量又比低应力磨削大，生产效率高，是低应力磨削的3～5倍。 5　结论 5.1　低应力磨削是解决磨削裂纹的有效途径，使用比较广泛。但是使用砂轮的硬度低，粒度粗，对保证工件的精度和粗糙度不利，磨削效率低，不利于大批量生产。使用硫化切削油，气味重，有污染，不利于工人操作。 5.2　不产生磨削裂纹的关键因素是较长时间保持砂轮微刃的锋利。锋利的刃口，减缓了磨削过程中的摩擦挤压过程，从而降低了磨削区的温度。若降至600℃以下，或更低。磨削液能将热量迅速带走，磨削部位表、里层温度低，梯度小，也就不会出现裂纹。 5.3　保持砂轮微刃锋利的方法是:①选用物理性能好的磨料；②勤修砂轮，采用能自动修整砂轮的磨床，磨一个连杆颈修一次砂轮；③采取润滑性能好的水基极压磨削液；④使用压力较大，流量充分的磨削液的供液装置，并具有净化率高的过滤系统。 5.4　无裂纹高效磨削的优点是:效率高，更容易保证工件的加工质量(精度和粗糙度)，可使用水基磨削液，改善了磨削环境，优于低应力磨削。但目前国内有不少的磨床不具备所需的功能，若能按上述要求改装，亦能达到同样的目的。 5.5　无裂纹高效磨削工艺，还需要进一步研究完善，优选出更佳的工艺参数。