單程平面磨削淬硬工件變形及淬硬層深度均勻性研究.pdf

1、磨削淬硬技術是一種新型的復合加工技術，該技術利用粗磨產生的磨削熱，使工件表層溫度快速升高到奧氏體化溫度，然后快速冷卻到馬氏體相變溫度，工件表層材料發(fā)生馬氏體相變，實現(xiàn)工件的表面淬火處理。表面淬硬技術實現(xiàn)了磨削加工與表面淬火技術的集成，在生產領域有很好的前景。本文以磨削理論研究為基礎，結合熱力耦合數(shù)值分析及磨削淬硬實驗，對磨削淬硬加工中的工件變形及加工后磨削淬硬層深度的分布進行了研究，并提出通過變切深磨削輪廓方式控制磨削淬硬層深度分布均勻

2、性。本文主要研究內容如下:
　　 (1)變熱流密度加載溫度場數(shù)值分析
　　 磨削加工中磨削力動態(tài)變化大，根據(jù)實驗測量的磨削力動態(tài)變化曲線，求出變熱流密度值，然后加載數(shù)值分析磨削溫度場，溫度場數(shù)值分析考慮了材料熱物性系數(shù)的變化、相變潛熱和周圍環(huán)境的對流換熱。數(shù)值分析結果顯示，變熱流密度加載相比恒定熱流密度加載的仿真溫度動態(tài)變化更明顯，考慮相變潛熱仿真溫度明顯低于未考慮的結果，而施加外界對流換熱條件對溫度影響很小。通過變熱流

3、密度加載的仿真溫度場預測了磨削淬硬層深度分布，與實驗測量的磨削淬硬層深度分布趨勢相似。
　　 (2)磨削淬硬熱力耦合數(shù)值分析
　　 建立了磨削淬硬熱力耦合有限元數(shù)值分析模型，熱力耦合有限元分析第一個階段為仿真磨削溫度場，第二個階段將有限元熱分析轉換成結構分析，施加結構邊界條件，以磨削溫度為節(jié)點溫度，以磨削力為磨削弧區(qū)壓力載荷，對磨削熱力作用下的工件進行結構有限元分析。本文選擇了高度不同的三種工件分別數(shù)值分析，得到不同時刻

4、的工件變形，工件變形使加工中的工件向上凸起，變形隨加載過程不斷變化，磨削弧區(qū)變形最大，在工件中部區(qū)域變形量最大。由于磨削弧區(qū)材料的凸起變形，實際磨削深度為設定磨削深度與凸起切深之和。工件變形是磨削加工中工件材料發(fā)生了彈塑性應力應變的結果，有限元同時分析出工件內部應力應變及約束位置的約束反力，分析結果表明，工件加工表層以塑性變形為主，工件表層下方以彈性變形為主，離工件表層越遠，應力應變越小。對三種工件的變形進行了比較分析，結果顯示，高度尺

5、寸最小的工件變形最大，約束反力最大;高度最大的工件變形最小，約束反力變化幅度最小，并對加載和未加載磨削力下的工件變形進行了比較，磨削力加載對變形影響很小，變形主要是熱變形。通過對三種尺寸工件進行磨削淬硬實驗驗證了相關分析，工件尺寸越薄，磨削力變化越大，磨削后變形越嚴重，磨削淬硬層深度分布越不均勻。
　　 (3)磨削淬硬技術磨削力動態(tài)變化分析及預測
　　 分析了實驗測量磨削力曲線變化原因，磨削切入切出區(qū)由于材料去除驟增驟減

6、而變化劇烈;磨削穩(wěn)定區(qū)磨削力動態(tài)變化，受到磨削變形和磨削弧區(qū)溫度綜合影響。結合平面磨削力計算模型，對磨削弧區(qū)溫度及磨削變形對磨削力的影響進行了分析，磨削變形有增加磨削力的趨勢，而磨削弧區(qū)高溫使材料軟化，降低了磨削力的增大，但磨削弧區(qū)高溫并沒有導致磨削力的急劇減小，原因是大部分的磨削力產生于磨削弧區(qū)前方，而磨削弧區(qū)前方材料總體溫度低、切屑厚度大，保證了磨削力沒有明顯減小。通過磨削弧區(qū)溫度對磨削力的影響分析，對磨削力計算模型進行了修正。通過

7、磨削力計算模型、磨削變形分析預測并分析了磨削力變化規(guī)律，當磨削弧區(qū)前方材料的凸起無法抵消磨削弧區(qū)凸起變形減小時，磨削力開始下降。
　　 (4)磨削淬硬層深度均勻性研究
　　 工件變形增加了磨削切深，通過實際切深對變熱流密度進行了修正，修正后熱流密度對應的磨削淬硬層深度分布與實驗測量結果較符合。通過對比磨削力曲線、磨削溫度變化曲線、工件變形曲線，得出磨削力、磨削溫度和磨削變形三者之間相互影響，是導致磨削淬硬層深度分布不均勻

8、的重要原因。
　　 提出改善磨削淬硬層深度分布不均勻的措施，可通過控制磨削變形或磨削力的方式?？衫米兦猩钅ハ鬏喞绞剑刂颇ハ髁Φ淖兓?，從而控制磨削淬硬層深度的均勻性。變切深磨削輪廓求解具體方法是將磨削過程分成區(qū)間進行分析，在每個區(qū)間上以磨削淬硬深度為已知量，磨削切深為未知量，進行熱力耦合有限元分析，找到磨削力、磨削溫度及磨削變形在該區(qū)間上的的平衡，即得到該區(qū)間待求磨削切深，然后根據(jù)各個區(qū)間結果繪制總的磨削切深輪廓曲線。最后通