CN115558885A - 一种基于磨削主动渗碳的性形协同加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于磨削主动渗碳的性形协同加工方法。采用主动增碳的方式，将涂覆渗碳膏剂的工件表面进行增碳加工强化，并对已强化的表面进行回程加工，使渗碳强化层组织分布更趋均匀。加工步骤如下：S1.渗碳膏剂的具体制备；S2.渗碳膏剂制备完成后进行加工表面的涂覆；S3.搭建磨削主动渗碳实验平台；S4.进行磨削加工实验。该方法将磨削加工过程与表面渗碳过程相融合，充分利用磨削接触区内的热力耦合作用诱发渗碳涂层的主动渗碳效应。不仅提升了极端表面工艺制备的效率，还降低传统增碳工序所带来的污染。有利于抗疲劳制造工序的集成化发展。所述方法适用于各种热辅助加工及表面热处理工艺，具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及表面工程领域，特别涉及一种基于磨削主动渗碳的性形协同加工方法。
背景技术
现阶段，传统抗疲劳制造多采用制造加强化双工艺方式实现的，但该工艺流程相对复杂，易造成中间产物的排放，不具备绿色、环保的制造特征。此外，作为终加工工艺之一的磨削技术，因加工过程接触区的非线性高温，会使材料产生脱碳现象，从而使关键表面降低甚至丧失塑性，因产生微裂纹而失去服役效能。目前，国内多数采取感应淬火和渗碳淬火等热处理工艺来实现表面强化。感应淬火常用于中碳钢材料，但受中碳钢碳含量限制，芯部韧性及表面硬度均难以满足高温、重载的工作要求。渗碳淬火则多用于低碳钢材料，其热处理后的芯部韧性较好，且表面因渗碳后的碳含量能达到0.8％以上而具有较高的硬度与耐磨性，但渗碳过程因保温时间过长导致芯部晶粒粗大，使强化表面力学性能降低。
近年来，国外已利用表面强化新兴工艺代替传统渗碳淬火热处理工艺，这是工程界的研究热点，已提出如激光强化、喷丸强化、火焰强化及加工强化等表面强化方法。但上述方法工艺流程复杂，易造成机械零部件表面形变量大、组织分布不均匀，萌生微裂纹，甚至会产生表面脱碳现象，这制约了极端环境表面强化的发展。因此，有必要提出一种强化表面精度可控与性能可控的抗疲劳复合制造方法。
发明内容
本发明为了解决上述现有加工方法的不足，提供了一种基于磨削主动渗碳的性形协同加工方法。该方法将磨削加工过程与表面渗碳过程相融合，充分利用磨削接触区内的热力耦合作用诱发渗碳涂层的主动渗碳效应。不仅提升了极端表面工艺制备的效率，还降低传统增碳工序所带来的污染。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种基于磨削主动渗碳的性形协同加工方法，采用主动增碳的方式，将涂覆渗碳膏剂的工件表面进行增碳加工强化，并对已强化的表面进行回程加工，使渗碳强化层组织分布更趋均匀。加工步骤如下：
S1.渗碳膏剂的具体制备；
S2.渗碳膏剂制备完成后进行加工表面的涂覆；
S3.搭建磨削主动渗碳实验平台；
S4.进行磨削加工实验；
S5.验证主动渗碳表面性形协同加工的实验结果。
步骤S1中，所述渗碳膏剂的基质由碳粉颗粒构成，碳粉颗粒的粒度为100目，同时添加渗碳催化剂Na2CO3粉末和CaCO3粉末，其颗粒度无具体要求，保证渗碳膏剂制备时无明显砂粒感杂质。三种粉末的最优分配比为：碳粉67.5％、Na2CO327.5％、CaCO35％。
进一步地，将所述三种粉末用电子天平称取，精确至0.1g，之后将其混合均匀，制成粉末状固态渗碳剂备用，另外需要添加粘性溶剂。
所述粘性溶剂，是一种基于聚乙烯醇饱和水溶液的粘性剂。首先将200目的PVA-1799颗粒溶于水中，选择较细的粉状颗粒，制备成饱和水溶液。同时在溶解的过程中保持水浴加热状态，并用玻璃棒不断地进行搅拌。整个过程持续1-2个小时，直到水溶液在搅拌过程中不再产生气泡，并且变得彻底透明。
进一步地，将所述粉末状固态渗碳剂与所述粘性溶剂按照1:1.5的比例混合均匀，得到细腻且具有金属吸附性的渗碳膏剂。
步骤S2中，将所述渗碳膏剂均匀的涂抹在工件的加工表面。湿态下渗碳涂层的涂覆厚度约为4-5mm，之后将工件进行静置，使渗碳涂层自然风干。
进一步地，自然风干后的渗碳涂层还存在少许水分，此时将其置于马弗炉中，在200摄氏度的恒温环境下烘干脱水20分钟，获得干燥且牢固的渗碳涂层。脱水后干态的渗碳涂层厚度约为2-3mm。
进一步地，在所述渗碳涂层之上均匀涂抹一层水玻璃胶，之后将工件再次置于马弗炉中烘干脱水，玻璃胶在渗碳涂层之上形成一层白色保护层，厚度为1.5-2mm，防止渗碳涂层震碎脱离。
步骤S3中，所述渗碳实验平台，包括M7120平面磨床、TOPRIE TP700测温系统和Kistler9257B测力仪。所述M7120平面磨床主轴远离工作台以保持一定安装空间，所述工件被固定在专用夹具上，将夹具锁定在Kistler9257B测力仪信号采集端并用螺栓固定，将信号采集端线缆、放大器和采集卡连接以便可以采集实时力学信号，同时将Kistler9257B测力仪吸附于磨床上方的磁力吸盘上端面，从而固定整个工件装夹结构，实验开始前需用磨床砂轮对待磨削工件进行1丝左右的小切深光整找平。
步骤S4中，将所述工件横向均匀选取三个位置进行打孔，将K型热电偶的测量端插入到孔洞中并使测头接近孔洞底部，与孔洞底部加工表面保留3mm的距离。
所述磨削加工，分为去程磨削和回程磨削两个过程。首先在缓进给大切深的磨削条件下进行去程干磨削加工，然后开展快进给小切深下的回程磨削加工。回程磨削加工的去除量不宜选取过大，防止破坏去程磨削加工中形成的表面渗碳层，回程磨削加工的下刀量约为0.2个丝。
步骤S5中，所述验证实验结果的前提是在制备工件时，将待加工表面分为工件渗碳A区和工件B区。所述工件渗碳A区制备渗碳涂层，工件B区不作任何处理。分别采用HTV-5S硬度仪与LEXT OLS4100共聚焦显微镜测量工件渗碳A区和工件B区的硬度和粗糙度情况。每个区域选取三个随机测量点位，并计算平均值。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明基于测得的实验数据，建立关联多维加工参数下的硬度与粗糙度性形协同优化空间，获得最优参数配比下的性形协同加工效果，实现加工表面性形协同主动控制。有利于抗疲劳制造工序的集成化发展。所述方法适用于各种热辅助加工及表面热处理工艺，具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明加工表面渗碳层制备示意图；
图2为本发明实验平台与实验设备；
图3为本发明磨削接触区主动渗碳过程原理图；
图4为本发明不同工况下硬度和表面粗糙度分布；
图5为本发明工件渗碳A区和工件B区的温度分布实测结果。
其中，1—工件渗碳A区、2—渗碳涂层、3—保护层、4—渗碳膏剂、5—加工表面、6—工件B区、7—工件、8—Kistler9257B测力仪、9—磨床砂轮、10—磁力吸盘、11—M7120平面磨床、12—K型热电偶、13—TOPRIE TP700测温系统、14—LEXT OLS4100共聚焦显微镜、15—HTV-5S硬度仪、16—活性碳原子、17—碳质颗粒、18—砂轮磨粒、19—奥氏体相。
具体实施方式
为了解决现有技术存在的问题，如图1-图5所示，本发明提供了一种基于磨削主动渗碳的性形协同加工方法，选取为最为常用的低碳合金钢20CrMnTi，采用主动增碳的方式，将涂覆渗碳膏剂4的工件7表面进行增碳加工强化，并对已强化的表面进行回程加工，使渗碳强化层组织分布更趋均匀。加工步骤如下：
S1.渗碳膏剂4的具体制备；
S2.渗碳膏剂4制备完成后进行加工表面5的涂覆；
S3.搭建磨削主动渗碳实验平台；
S4.进行磨削加工实验；
S5.验证主动渗碳表面性形协同加工的实验结果。
步骤S1中，渗碳膏剂4的基质由碳粉颗粒构成，碳粉颗粒的粒度为100目，因为较大的颗粒尺度不利于加工过程中活性炭原子的释放。同时添加渗碳催化剂Na2CO3粉末和CaCO3粉末，其颗粒度无具体要求，保证渗碳膏剂制备时无明显砂粒感杂质即可。三种粉末的最优分配比为：碳粉67.5％、Na2CO327.5％、CaCO35％。将三种粉末用电子天平称取，精确至0.1g，之后将其混合均匀，制成粉末状固态渗碳剂备用，另外需要添加粘性溶剂。
粘性溶剂的制作方法：首先将200目的PVA-1799颗粒溶于水中，制备成饱和水溶液。PVA-1799溶于水较为困难，所以需要选择较细的粉状颗粒进行溶解。同时在溶解的过程中保持水浴加热状态，并用玻璃棒不断地进行搅拌，可以加速其溶解过程。整个过程持续1-2个小时，直到水溶液在搅拌过程中不再产生气泡，并且变得彻底透明。将制备好的粉末状固态渗碳剂按照1:1.5的比例与粘性溶剂混合均匀，进而得到细腻且具有金属吸附性的渗碳膏剂4。
步骤S2中，将渗碳膏剂4均匀的涂抹在工件7的加工表面5上。湿态下渗碳涂层2的涂覆厚度约为4-5mm，之后将工件进行静置，使渗碳涂层2自然风干。自然风干后的渗碳涂层2还存在少许水分，此时将其置于马弗炉中，在200摄氏度的恒温环境下烘干脱水20分钟，获得干燥且牢固的渗碳涂层2。脱水后干态的渗碳涂层2的厚度约为2-3mm。
进一步地，在渗碳涂层2之上均匀涂抹一层水玻璃胶，之后将工件7再次置于马弗炉中烘干脱水，玻璃胶在渗碳涂层2之上形成一层白色保护层3，厚度为1.5-2mm，防止渗碳涂层2震碎脱离。
步骤S3中，渗碳实验平台包括M7120平面磨床11、TOPRIE TP700测温系统13和Kistler9257B测力仪8。M7120平面磨床11的主轴远离工作台以保持一定安装空间，工件7被固定在专用夹具上，将夹具锁定在Kistler9257B测力仪8的信号采集端并用螺栓固定，将信号采集端线缆、放大器和采集卡连接以便可以采集实时力学信号，同时将Kistler9257B测力仪8吸附于磨床上方的磁力吸盘10的上端面，从而固定整个工件装夹结构，实验开始前需用磨床砂轮9对工件7进行1丝左右的小切深光整找平。
步骤S4中，将工件7横向均匀选取三个位置进行打孔，将K型热电偶12的测量端插入到孔洞中并使测头接近孔洞底部，与孔洞底部加工表面保留3mm的距离。
磨削加工分为去程磨削和回程磨削两个过程。首先在缓进给大切深的磨削条件下进行去程干磨削加工，然后开展快进给小切深下的回程磨削加工。回程磨削加工的去除量不宜选取过大，防止破坏去程磨削加工中形成的表面渗碳层，回程磨削加工的下刀量约为0.2个丝。
步骤S5中，验证实验结果的前提是在制备工件时，将待加工表面分为工件渗碳A区1和工件B区6。工件渗碳A区1制备渗碳涂层2，工件B区6不作任何处理。分别采用HTV-5S硬度仪15与LEXT OLS4100共聚焦显微镜14测量工件渗碳A区1和工件B区6的硬度和粗糙度情况。每个区域选取三个随机测量点位，并计算平均值。
对比工件渗碳A区1与工件B区6的统计数据可以得出结论，与一般磨削相比，工件渗碳A区1的表面经过双程磨削加工后表面硬度明显提高，最高硬度值可提升至普通加工硬化硬度值的1.75倍，加工精度得到了明显的提升，加工表面粗糙度可降低至普通加工粗糙度的70％。并且磨削接触区内温度分布并没有产生明显变化。
下面结合附图说明本发明的工作原理：
本发明提出一种基于磨削主动渗碳的性形协同加工方法。双程磨削过程分为去程磨削和回程磨削两个过程。在实际加工过程中首先在缓进给大切深下的磨削条件下进行去程干磨削加工，去程的目的在于利用大切深和缓进给使磨削接触区产生大量的磨削热，使表层基体材料温度瞬间提高到奥氏体相19的变临界温度之上，进而生成奥氏体相19组织。奥氏体相19与基体相不同，其微观结构为面心立方晶体结构，晶格间距明显大于基体的体心立方结构，更有利于活性碳原子16的渗入。活性碳原子16来源于接触区内的渗碳涂层2。随着磨床砂轮9的顺磨过程，渗碳涂层2被磨碎破裂，分散成多个细小的碳质颗粒17。这些碳质颗粒17随着砂轮磨粒18的转动被带入到磨削接触区。干磨削加工过程中，磨削接触区相当于一个高温高压的密闭环境，在低氧状态下碳质颗粒17与材料表面发生化学反应，释放活性碳原子16。同时接触区内碳质颗粒17对加工表面5的挤压冲击作用加速了活性碳原子16的释放过程，使更多的活性碳原子16吸附于材料表面，形成表面高碳势区。进一步的，接触区高温高压作用促进表面高碳势区向内层材料进行碳扩散，实现局部碳平衡，进而达到磨削表面的主动增碳效果。去程磨削加工的目的在于同时实现表面渗碳与材料去除。但是缓进给大切深的干磨削会对加工表面5精度造成一定的影响，所以还需开展快进给小切深下的回程磨削加工，其目的是提高加工表面光整度，获得较好的加工质量。
Claims (7)
1.一种基于磨削主动渗碳的性形协同加工方法，其特征在于：采用主动增碳的方式，将涂覆渗碳膏剂的工件表面进行增碳加工强化，并对已强化的表面进行回程加工，使渗碳强化层组织分布更趋均匀；加工步骤如下：
S1.渗碳膏剂的具体制备；
S2.渗碳膏剂制备完成后进行加工表面的涂覆；
S3.搭建磨削主动渗碳实验平台；
S4.进行磨削加工实验；
S5.验证主动渗碳表面性形协同加工的实验结果。
2.根据权利要求1所述的一种基于磨削主动渗碳的性形协同加工方法，其特征在于：步骤S1中，所述渗碳膏剂的基质由碳粉颗粒构成，碳粉颗粒的粒度为100目，同时添加渗碳催化剂Na2CO3粉末和CaCO3粉末，其颗粒度无具体要求，保证渗碳膏剂制备时无明显砂粒感杂质；三种粉末的最优分配比为：碳粉67.5％、Na2CO327.5％、CaCO35％；将所述三种粉末用电子天平称取，精确至0.1g，之后将其混合均匀，制成粉末状固态渗碳剂备用，另外需要添加粘性溶剂。
3.根据权利要求2所述的一种基于磨削主动渗碳的性形协同加工方法，其特征在于：所述粘性溶剂，是一种基于聚乙烯醇饱和水溶液的粘性剂；首先将200目的PVA-1799颗粒溶于水中，选择较细的粉状颗粒，制备成饱和水溶液；同时在溶解的过程中保持水浴加热状态，并用玻璃棒不断地进行搅拌；整个过程持续1-2个小时，直到水溶液在搅拌过程中不再产生气泡，并且变得彻底透明；将所述粉末状固态渗碳剂与所述粘性溶剂按照1:1.5的比例混合均匀，得到细腻且具有金属吸附性的渗碳膏剂。
4.根据权利要求1所述的一种基于磨削主动渗碳的性形协同加工方法，其特征在于：步骤S2中，将所述渗碳膏剂均匀的涂抹在工件的加工表面，湿态下渗碳涂层的涂覆厚度约为4-5mm，之后将工件进行静置，使渗碳涂层自然风干；自然风干后的渗碳涂层还存在少许水分，此时将其置于马弗炉中，在200摄氏度的恒温环境下烘干脱水20分钟，获得干燥且牢固的渗碳涂层；脱水后干态的渗碳涂层厚度约为2-3mm；在所述干态的渗碳涂层之上均匀涂抹一层水玻璃胶，之后将工件再次置于马弗炉中烘干脱水，玻璃胶在渗碳涂层之上形成一层白色保护层，厚度为1.5-2mm，防止渗碳涂层震碎脱离。
5.根据权利要求1所述的一种基于磨削主动渗碳的性形协同加工方法，其特征在于：步骤S3中，所述渗碳实验平台包括M7120平面磨床、TOPRIE TP700测温系统和Kistler9257B测力仪；所述M7120平面磨床主轴远离工作台以保持一定安装空间，所述工件被固定在专用夹具上，将夹具锁定在Kistler9257B测力仪信号采集端并用螺栓固定，将信号采集端线缆、放大器和采集卡连接以便可以采集实时力学信号，同时将Kistler9257B测力仪吸附于磨床上方的磁力吸盘上端面，从而固定整个工件装夹结构，实验开始前需用磨床砂轮对待磨削工件进行1丝左右的小切深光整找平。
6.根据权利要求1所述的一种基于磨削主动渗碳的性形协同加工方法，其特征在于：步骤S4中，将所述工件横向均匀选取三个位置进行打孔，将K型热电偶的测量端插入到孔洞中并使测头接近孔洞底部，与孔洞底部加工表面保留3mm的距离；所述磨削加工，分为去程磨削和回程磨削两个过程；首先在缓进给大切深的磨削条件下进行去程干磨削加工，然后开展快进给小切深下的回程磨削加工；回程磨削加工的去除量不宜选取过大，防止破坏去程磨削加工中形成的表面渗碳层，回程磨削加工的下刀量约为0.2个丝。
7.根据权利要求1所述的一种基于磨削主动渗碳的性形协同加工方法，其特征在于：步骤S5中，所述验证实验结果的前提是在制备工件时，将待加工表面分为工件渗碳A区和工件B区；所述工件渗碳A区制备渗碳涂层，工件B区不作任何处理；分别采用HTV-5S硬度仪与LEXT OLS4100共聚焦显微镜测量工件渗碳A区和工件B区的硬度和粗糙度情况；每个区域选取三个随机测量点位，并计算平均值。
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