磨削热应力数值仿真与磨削表面变质层实验研究

摘要

机械加工表面质量与零件的疲劳寿命，应力腐蚀开裂和尺寸稳定性等性能有着密切关系。而磨削加工一般作为终加工工序，其加工质量直接决定了零件的最终质量，因此磨削加工表面质量尤其受到关注。磨削加工表面质量，包括表面粗糙度、金相组织相变、残余应力等有关特征。影响磨削表面质量的因素很多且各因素间的相关性很大，而在影响各种材料磨削表面质量的各因素中热效应是主要因素。本文运用数值仿真法和现代实验手段分别就与磨削表面质量有密切关系的热应力和表面变质层进行了研究，主要内容和结论如下： 1）为磨削仿真边界条件的定义建立了磨削热源计算模型，推导了仿真中磨削接触长度、切向磨削力和能量（热）分配系数三个重要参数的计算公式。 2）为实现热源的连续移动加载并提高计算精度，利用ABAQUS提供的用户子程序接口进行了二次开发，仿真了干、湿磨削温度场。根据仿真结果分析了磨削温度的分布规律，其中通过对干磨和湿磨温度场的比较分析，发现磨削液在降低磨削温度的同时，对磨削表面上沿磨削方向的温度变化梯度以及工件表面层内沿切深方向温度梯度也有降低作用。 3）仿真研究了磨削表面层的热应力和热变形，比较了不同边界条件对磨削表面热应力和热变形的影响。仿真结果显示，工件表面上，在磨削方向上存在着较大的磨削热应力梯度，而在垂直磨削方向上热应力的变化比较平缓；磨削过程中表面层呈“挤压”状态；磨削表面的热应力值最大，沿切深方向存在很大的热应力梯度。 4）利用金相显微镜和扫描电子显微镜（SEM）实验研究了螺旋锥齿轮磨削表面的磨削裂纹和变质层的金相组织。金相实验发现齿轮磨削表层主要为针状马氏体组织，心部为低碳马氏体组织，出现烧伤的轮齿表面层马氏体晶粒比正常轮齿表面层的要粗。实验中磨削裂纹均出现在轮齿凸面。出现的裂纹深度很浅，呈平行状且与磨削方向垂直并基本上沿晶界断裂。结合仿真分析，推论出磨削裂纹垂直深度很浅是因为表面层热应力在切深方向的应力梯度很大所致；磨削裂纹垂直磨削方向主要由磨削表面的热应力在平行磨削方向上存在很大的应力梯度决定，锥齿轮裂纹只出现在凸面与轮齿的几何形状有密切关系。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2表面质量对零件使用性能的影响

1.2.1.对耐磨性影响

1.2.2对耐疲劳性影响

1.2.3对耐腐蚀性影响

1.2.4对配合精度和配合性质的影响

1.3研究磨削热对表面质量影响的意义

1.4磨削过程建模与仿真方法综述

1.4.1物理模型

1.4.2经验模型

1.4.3过程探索(规则库)模型

1.5磨削热有限元仿真现状

1.6课题来源及主要研究内容

1.6.1存在的问题及研究思路

1.6.2课题来源

1.6.3主要研究内容

第二章磨削热源计算模型

2.1 引言

2.2磨削加工过程

2.3磨削接触长度

2.3.1几何接触长度

2.3.2真实接触弧长度

2.4磨削力

2.5磨削热源模型

2.5.1磨削热源

2.5.2移动平面热源的热源法解析

2.5.3磨削工件表面平均温度的简化计算

2.6磨削能量(热)分配系数

2.6.1磨削区能量分配

2.6.2能量(热)分配系数确定方法

2.7小结

第三章磨削温度场有限元仿真分析

3.1 引言

3.2工件磨削温度场的有限元仿真

3.2.1传热分析有限元基本原理

3.2.2时间步长的选择

3.2.3磨削边界条件

3.2.4磨削热源加载的子程序DFLUX实现

3.2.5磨削温度场三维有限元仿真模型的建立

3.3磨削温度场仿真结果分析

3.3.1工件表面磨削温度

3.3.2深度方向磨削温度分布

3.3.3磨削温度随时间的变化

3.4小结

第四章磨削表面层热应力有限元分析

4.1 引言

4.2磨削表面层残余应力的产生

4.3磨削表面层热应力有限元计算模型

4.4干磨与湿磨表面层热应力有限元仿真计算

4.4.1干磨与湿磨有限元模型

4.4.2初始边界条件的确定

4.4.3仿真结果分析

4.5边界条件对模型热应力和变形的影响

4.5.1 “三边约束”模型分析

4.5.2 “双边约束”模型分析

4.6小结

第五章磨削表面变质层实验研究

5.1 引言

5.2螺旋锥齿轮的磨削

5.2.1齿轮试件

5.2.2全数控螺旋锥齿轮磨齿机YK2050A

5.2.3磨削工艺参数

5.3磨削表面层金相组织观察

5.3.1金相试样制作

5.3.2结果分析

5.4磨削裂纹观察

5.4.1磨削裂纹属性和形态

5.4.2磨削裂纹形成的原因

5.4.3螺旋锥齿轮磨削裂纹分析

5.5小结

第六章总结与展望

6.1全文总结

6.2研究展望

参考文献

附录：

致谢

攻读硕士学位期间的研究成果