磨削淬硬加工中热效应及残余应力的研究

摘要

磨削淬硬加工是集磨削加工学与表面淬火理论于一体的切削加工新技术,该技术实现了磨削加工与表面淬火的集成,减少了热处理设备与人员的投入以及热处理排放物对环境的污染,因而具有显著的经济和社会效益,已受到国内外专家和学者们的高度关注。
　　 磨削淬硬加工不仅是一个复杂的机械、力和热的复合作用过程,也是被加工材料表层组织和性能显著变化的过程。本文基于单程磨削淬硬加工试验,运用ANSYS12.0,对工件的温度场及应力场进行数值模拟,分析了不同热源模型下温度场和热应力的分布情况。根据磨削淬硬加工中残余应力的测试试验,从而推到出工件相变应力的分布情况。本文的主要工作:
　　 1)分析了矩形热源模型、三角形热源模型、倾斜三角形热源、弧形热源模型等四种不同的热源模型,并对其的数学模型和适用场合进行了比较。分析表明:矩形热源模型和三角形热源模型比较适合磨削深度较小的普通磨削,倾斜三角形热源模型和和抛物线热源模型比较适合高效深磨。
　　 2)对有限元软件ANSYS12.0进行二次开发,运用该软件对单程磨削淬硬加工中的温度场、热应力场进行非线性分析和数值模拟系统揭示出双程磨削淬硬层的形成机理。并将数值模拟结果与试验结果比较,从而验证了数值模拟结果的有效性。
　　 3)热源接触表面与已加工表面形成的接触角θ越大,已加工表面的温度越低,有利于减小温度对工件的热损伤。尤其对高效深切磨削加工而言,还简单的把已加工表面和接触表面看成同一个平面,忽略磨削深度ap或倾斜角度θ对热源运动和传热条件的影响,显然是不够精确和严密,会造成较大的误差。因此接触角θ是不能忽略的因素。
　　 4)通过磨削用量对磨削淬硬层残余应力的影响试验,得出了不同磨削用量条件下,磨削淬硬层残余应力的分布。研究了磨削速度、磨削深度、工件进给速度对工件热应力、残余应力、相变应力分布的影响。研究表明:在磨削区域内工件热应力主要表现为压应力,而在非磨削区域内主要表现为拉应力。不管是在磨削区域还是非磨削区域工件热应力都随着磨削速度的增加而增加。但热拉应力和热压应力的表层深度不会随着磨削用量的变化而变化。
　　 本论文是国家自然科学基金(No.50675088、NO.510751927)的重要组成部分,本研究的开展对于分析磨削淬硬的形成过程、揭示磨削淬硬的形成机理、丰富和发展磨削淬硬理论、促进磨削淬硬加工技术的实际应用具有重要的理论价值和实践意义。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 课题研究的背景及其意义

1.1.1 课题研究的背景

1.1.2 本课题研究的意义

1.2 表面残余应力国内外的研究现状

1.2.1 国外关于表面残余应力的研究

1.2.2 国内关于表面残余应力的研究

1.3 磨削淬硬残余应力研究中存在的主要问题

1.4 本研究的内容及意义

1.5 本章小结

第二章 磨削淬硬加工的理论基础

2.1 磨削加工的特点与磨削的加工过程

2.1.1 磨削加工的特点

2.1.2 磨削加工的过程

2.2 磨削加工的中的热.力作用

2.2.1 磨削加工对工件的热作用

2.2.2 磨削加工对工件的力作用

2.3 金属材料在磨削过程中的组织转变

2.3.1 奥氏体组织的转变过程

2.3.2 自冷却淬火的特点

2.4 磨削淬硬层的形成

2.4.1 磨削淬硬层形成的必要条件

2.4.2 磨削淬硬层组织的形成

2.5 磨削加工表面质量

2.5.1 表面质量的含义

2.6 磨削淬硬加工的主要影响因素

2.7 本章小结

第三章 磨削淬硬加工中热源模型的分析与评价

3.1 单程磨削淬硬加工试验

3.2 磨削区热流量分配模型

3.2.1 磨削区总热流密度

3.2.2 流入磨屑的热流密度

3.2.3 流入磨削液的热流密度

3.2.4 工件和砂轮分担的热流密度

3.3 磨削加工热源模型

3.3.1 矩形热源模型

3.3.2 三角形热源模型

3.3.3 倾斜三角形热源模型

3.3.4 抛物线热源模型

3.4 热源模型适用场合比较

3.5 本章小结

第四章 磨削过程温度场的数值模拟

4.1 基于有限元理论磨削过程的数学建模

4.1.1 有限单元法的基本概念

4.1.2 结构非线性的有限单元法

4.2 磨削淬硬温度场的数值模拟

4.2.1 磨削温度场的有限元模型

4.2.2 有限元软件的前处理

4.3 温度场数值模拟结果与分析

4.3.1 磨削温度场的空间分布

4.3.2 不同热源模型下的温度分布

4.3.3 不同热源模型下不同时间步磨削区温度分布

4.3.4 不同热源模型下磨削区温度沿深度方向的变化

4.3.5 不同热源模型下磨削温度场对时间的响应

4.3.6 接触角0对磨削温度场的影响

4.4 本章小结

第五章 磨削过程热应力的形成及数值模拟

5.1.热-结构耦合的基本理论

5.2 热弹塑性理论

5.2.1 应力场计算的基本假设

5.2.2 热弹塑性应力应变关系

5.3 求解过程的关键问题

5.3.1 加载问题

5.3.2 边界条件的约束

5.3.3 塑性准则的选择

5.3.4 材料的力学性能参数

5.3.5 加强收敛的方法

5.4 热应力场的数值模拟结果

5.4.1 磨削热应力场的空间分布

5.4.2 工件磨削表面温度对表面热应力的影响

5.4.3 工件表面热应力对时间的响应

5.4.4 工件磨削表面温度对表面剪切应力的影响

5.4.5 磨削速度对工件热应力的影响

5.4.6 磨削深度对工件热应力的影响

5.4.7 工件进给速度对工件热应力的影响

5.5 本章小结

第六章 磨削淬硬层残余应力的试验研究

6.1 磨削表面残余应力的基本类型

6.2 磨削表面残余应力产生机理

6.2.1 机械作用引起的残余应力

6.2.2 热应力引起的残余应力

6.2.3 相变应力引起的残余应力

6.3 残余应力的测量方法

6.4 残余应力的影响因素

6.5 磨削淬硬层残余应力试验

6.5.1 试验条件与测试方法

6.5.2 磨削淬硬层残余应力试验结果分布

6.6 磨削淬硬层相变应力的研究

6.6.1 相变应力的推导

6.6.2 磨削速度对相变应力的影响

6.6.3 磨削深度对相变应力的影响

6.6.4 工件进给速度对相变应力的影响

6.7 本章小结

第七章 研究结论与展望

7.1 研究的结论

7.2 磨削淬硬加工的发展趋势

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文

附录 A:磨削淬硬加工中温度场二次开发APDL部分源程序

附录 B:磨削淬硬加工中热应力二次开发APDL部分源程序