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(shù)是一種新型的復(fù)合加工技術(shù)，該技術(shù)利用粗磨產(chǎn)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(shí)現(xiàn)工件的表面淬火處理。表面淬硬技術(shù)實(shí)現(xiàn)了磨削加工與表面淬火技術(shù)的集成，在生產(chǎn)領(lǐng)域有很好的前景。本文以磨削理論研究為基礎(chǔ)，結(jié)合熱力耦合數(shù)值分析及磨削淬硬實(shí)驗(yàn)，對(duì)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(jìn)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?jī)?nèi)容如下:
　　 (1)變熱流密度加載溫度場(chǎng)數(shù)值分析
　　 磨削加工中磨削力動(dòng)態(tài)變化大，根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的磨削力動(dòng)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(chǎng)，溫度場(chǎng)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(duì)流換熱。數(shù)值分析結(jié)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(dòng)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(jié)果，而施加外界對(duì)流換熱條件對(duì)溫度影響很小。通過變熱流

3、密度加載的仿真溫度場(chǎng)預(yù)測(cè)了磨削淬硬層深度分布，與實(shí)驗(yàn)測(cè)量的磨削淬硬層深度分布趨勢(shì)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(gè)階段為仿真磨削溫度場(chǎng)，第二個(gè)階段將有限元熱分析轉(zhuǎn)換成結(jié)構(gòu)分析，施加結(jié)構(gòu)邊界條件，以磨削溫度為節(jié)點(diǎn)溫度，以磨削力為磨削弧區(qū)壓力載荷，對(duì)磨削熱力作用下的工件進(jìn)行結(jié)構(gòu)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(shí)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(shí)際磨削深度為設(shè)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(yīng)力應(yīng)變的結(jié)果，有限元同時(shí)分析出工件內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變及約束位置的約束反力，分析結(jié)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(yuǎn)，應(yīng)力應(yīng)變?cè)叫　?duì)三種工件的變形進(jìn)行了比較分析，結(jié)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(duì)加載和未加載磨削力下的工件變形進(jìn)行了比較，磨削力加載對(duì)變形影響很小，變形主要是熱變形。通過對(duì)三種尺寸工件進(jìn)行磨削淬硬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了相關(guān)分析，工件尺寸越薄，磨削力變化越大，磨削后變形越嚴(yán)重，磨削淬硬層深度分布越不均勻。
　　 (3)磨削淬硬技術(shù)磨削力動(dòng)態(tài)變化分析及預(yù)測(cè)
　　 分析了實(shí)驗(yàn)測(cè)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(dòng)態(tài)變化，受到磨削變形和磨削弧區(qū)溫度綜合影響。結(jié)合平面磨削力計(jì)算模型，對(duì)磨削弧區(qū)溫度及磨削變形對(duì)磨削力的影響進(jìn)行了分析，磨削變形有增加磨削力的趨勢(shì)，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(dǎo)致磨削力的急劇減小，原因是大部分的磨削力產(chǎn)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(duì)磨削力的影響分析，對(duì)磨削力計(jì)算模型進(jìn)行了修正。通過

7、磨削力計(jì)算模型、磨削變形分析預(yù)測(cè)并分析了磨削力變化規(guī)律，當(dāng)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(shí)，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(shí)際切深對(duì)變熱流密度進(jìn)行了修正，修正后熱流密度對(duì)應(yīng)的磨削淬硬層深度分布與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果較符合。通過對(duì)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(dǎo)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?，控制磨削力的變化，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(jìn)行分析，在每個(gè)區(qū)間上以磨削淬硬深度為已知量，磨削切深為未知量，進(jìn)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(gè)區(qū)間結(jié)果繪制總的磨削切深輪廓曲線。最后通