单程平面磨削淬硬加工的实验研究与分析

摘要

磨削淬硬加工是利用磨削过程中产生的磨削热直接对钢质工件表面进行淬火的复合加工方法。该技术不仅集成了磨削加工制造和表面淬火热处理工艺，更减少了废水、废料等有害物质的排放，兼具经济性、社会性和环保性等优势，工程应用前景十分广阔。 本文以单程平面磨削加工实验和磨削淬硬加工中残余应力的测定实验为基础，使用ANSYS 16.0建立磨削淬硬加工区域温度场及热应力场模型，揭示了在三角形移动热源模型加载下工件表面淬硬层的温度和热应力的形成及变化规律，为提高磨削淬硬加工质量提供了理论与实验依据。本文的主要研究内容及创新工作如下： (1) 基于单程平面磨削淬硬加工实验，利用红外热像仪光感传感器和压电测力仪传感器测量了磨削加工过程中的磨削温度和磨削力，系统地分析并揭示了磨削速度、磨削深度及工件进给速度等磨削用量对温度场和磨削力的影响和作用规律。 (2) 采用光学数码显微镜和数字显微硬度计等测试仪器，研究了在不同磨削用量的实验条件下磨削淬硬层的显微硬度及硬化深度的变化规律，深入揭示了磨削淬硬层性能与磨削用量之间的关系；结合腐蚀剥层法与X射线衍射法，测得磨削淬硬层表面残余应力的分布，同时探讨了磨削淬硬层残余应力与淬硬层深度之间的关系。 (3) 基于三角形移动热源理论，建立平面磨削淬硬加工热源模型，并利用ANSYS有限元软件，以磨削淬硬加工区域温度场的热流分配为基础，模拟了在三角形热源模型的作用下单程平面磨削淬硬温度场及热应力场的形成及变化，并将磨削淬硬层深度的模拟结果与实验数据进行对比，验证了本研究所建模型及分析的有效性和可靠性，为主动控制磨削淬硬加工及提高加工质量提供了依据。 本研究是国家自然科学基金资助项目的重要组成部分，对进一步揭示磨削淬硬的形成机理、发展磨削淬硬加工理论及促进磨削淬硬技术的应用有重要意义。

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摘 要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1研究背景

1.2磨削淬硬加工技术的形成与进展

1.2.1国外有关磨削淬硬加工技术的研究

1.2.2国内有关磨削淬硬加工技术的研究

1.3平面磨削淬硬加工中存在的主要问题

1.4本研究的主要内容及意义

1.5本章小结

第二章 磨削淬硬加工的理论知识

2.1磨削加工

2.1.1磨削加工的特征

2.1.2磨削加工过程

2.2磨削加工中的热-力耦合作用

2.2.1磨削热

2.2.2磨削力

2.3磨削中工件的相变

2.3.1金属材料奥氏体相变的过程

2.3.2快速加热时奥氏体相变的温度

2.3.3快速加热时奥氏体的形成

2.3.4自冷却淬火加工过程

2.4磨削硬化层

2.4.1形成磨削淬硬层的条件

2.4.2磨削硬化层的完全淬硬区

2.5磨削淬硬的影响因素及控制方法

2.5.1影响磨削淬硬的主要因素

2.5.2磨削淬硬加工质量的控制方法

2.6本章小结

第三章 单程平面磨削淬硬加工的实验

3.1实验系统构建与实验方案

3.1.1实验条件

3.1.2实验方案

3.2磨削温度测定试验

3.2.1测量原理

3.2.2测量结果与分析

3.3磨削力测定试验

3.3.1测量原理

3.3.2测量结果与分析

3.4磨削淬硬层的性能

3.4.1实验方案

3.4.2磨削淬硬层的显微硬度

3.4.3磨削淬硬层的深度

3.5磨削淬硬层的残余应力

3.5.1磨削淬硬层残余应力的形成

3.5.2实验方案

3.5.3实验结果

3.5.4淬硬层深度与残余应力分布的关系

3.6本章小结

第四章 磨削淬硬加工区域温度场的分析

4.1有限单元法

4.1.1有限元法的基本特征

4.1.2温度场的基本方程

4.2磨削加工的热源模型

4.3磨削区域的热流分配模型

4.3.1磨削区总热流密度

4.3.2进入磨屑的热流密度

4.3.3流入磨削液的热流密度

4.3.4流入工件和砂轮的热流密度

4.4能量分配系数

4.5温度场的数值模拟

4.5.1温度场的前处理

4.5.2温度场的加载和求解

4.6磨削温度场的模拟结果与分析

4.6.1温度场的空间域分布

4.6.2不同时间步磨削淬硬区的温度分布

4.6.3磨削淬硬区温度沿工件深度分布

4.6.4磨削淬硬区温度场对时间的响应

4.6.5磨削用量对磨削淬硬层深度的影响

4.7不同工件材料的温度场分布特征

4.7.140Cr钢温度场

4.7.245钢温度场

4.8本章小结

第五章 磨削淬硬加工区域热应力的形成与分析

5.1热-结构耦合

5.1.1耦合场计算方法

5.1.2热应力计算步骤

5.2热弹塑性理论

5.2.1应力场计算的假设

5.2.2热弹塑性应力应变关系

5.3磨削淬硬加工的主要问题

5.3.1加载问题

5.3.2约束条件

5.3.3塑性准则的选择

5.3.4材料的力学性能

5.3.5加强收敛

5.4热应力场的数值模拟结果与讨论

5.4.1应力场的空间分布

5.4.2工件表面热应力对时间的响应

5.5磨削淬硬热-力耦合应力的数值模拟

5.5.1热-力耦合应力的计算流程

5.5.2热-力耦合应力的分布

5.6本章小结

第六章 研究总结与发展展望

6.1研究结论

6.2发展展望

参考文献

致 谢

攻读硕士学位期间发表的论文及相关成果