预应力磨削淬硬层及其摩擦学特性研究

摘要

预应力磨削淬硬技术是在对工件施加一定预应力的条件下，利用磨削过程中产生的磨削热和磨削力等热力耦合作用，使工件表层一定深度范围内达到淬火效果的加工方法。
　　本文以磨削机理为基础，研究分析了在磨削过程中砂轮和试件的接触弧长、有效磨刃数、磨削力和热量分配比等磨削要素。在深入分析磨削淬硬产生原因的基础上，建立了计算试件磨削淬硬层硬度的数学模型。
　　完成了预应力磨削淬硬的试验研究。本试验在只改变预应力和磨削深度的条件下，对45钢的试件进行平面磨削试验。测量了试件磨削淬硬层的表面硬度以及沿深度方向的硬度，通过显微镜得到试件淬硬层的金相组织。通过对结果的分析，得到了预应力和磨削深度对试件磨削淬硬层硬度和厚度的影响关系。
　　以磨削温度场的有限元模型为基础，利用磨削力、热源分配比和热源分布的数学模型，计算出在磨削过程中磨削弧区内的热源分布，应用ANSYS软件对平面磨削温度场的变化历程进行有限元仿真，得出了磨削过程中试件表层温度场分布，并据此结合相变原理得到试件的磨削淬硬层的理论硬度和厚度。
　　摩擦学是一门对摩擦、磨损和润滑进行研究的学科。为了研究经过磨削淬硬加工试件的摩擦学特性，在高速往复式摩擦磨损试验机上对经过预应力磨削淬硬加工的试件进行了摩擦磨损试验，并测量了试件的磨槽形状、磨槽深度以及磨损损失量。对试验结果进行了深入分析，明确了预应力及磨削深度对试件磨削淬硬层表面性能的影响。
　　研究表明，在预应力条件下，对于不同的磨削深度，在其他磨削参数相同时，随着磨削深度的增加，试件表面强化层的硬度、深度及耐磨性都有所增加;对于不同的预应力，在其他磨削参数相同的条件下，随着预应力的变化，试件表面强化层的硬度、深度及耐磨性都有所变化，但是变化不明显。
　　磨削热和冷却速度是试件材料发生相变而产生淬硬层的首要原因。预应力和磨削力的应力—应变场对试件表面硬化层机械性能也有一定的影响，但影响较小。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 课题的研究背景

1．2 磨削淬硬技术及预应力加工的发展概况

1．2．1 磨削参数对磨削淬硬层影响的研究

1．2．2 磨削淬硬层金相变化的研究

1．2．3 磨削淬硬温度场研究

1．2．4 磨削淬硬层硬度的研究

1．2．5 磨削强化层性能研究

1．2．6 预应力加工的发展现状

1．3 摩擦学的发展动态

1．4 本课题的主要研究内容

1．5 本章小结

第2章 预应力磨削淬硬过程的理论分析

2．1 磨削过程

2．2 砂轮有效磨刃数

2．2．1 砂轮静态有效磨刃数Nt、Ns

2．2．2 砂轮动态有效磨刃数Nd

2．3 磨削力的计算模型

2．3．1 磨削力的理论公式

2．3．2 动态有效磨刃数的磨削力公式的建立

2．3．3 磨削力的经验公式

2．4 磨削温度场的理论分析

2．4．1 磨削热的产生

2．4．2 磨削温度场理论模型

2．5 磨削热量分配比

2．6 磨削加工淬硬硬度的计算

2．7 本章小结

第3章 预应力磨削淬硬的试验研究

3．1 预应力磨削淬硬试验

3．1．1 磨床、预应力夹具、砂轮以及试件材料的选择

3．1．2 预应力磨削试验方案设计

3．1．3 预应力磨削淬硬试验过程

3．2 试件硬度测量

3．2．1 试验仪器简介

3．2．2 试验结果及分析

3．5 本章小结

第4章 磨削淬硬零件表面硬度仿真

4．1 磨削淬硬温度场的分布模型

4．1．1 热量的传递方式

4．1．2 磨削淬硬过程的传热模型

4．2 磨削淬硬温度场的理论模型

4．2．1 磨削温度场的平衡方程

4．2．2 瞬态温度场有限元法

4．3 预应力磨削淬硬温度场仿真

4．3．1 预应力磨削淬硬试件有限元模型的建立

4．3．2 单元类型的选择

4．3．3 预应力磨削淬硬温度场参数条件的确定

4．3．4 磨削热源的加载

4．3．4 磨削热源的加载及求解

4．3．5 磨削温度场仿真结果分析

4．4 平面磨削硬化层硬度的仿真计算分析

4．4．1 零件硬化层表面硬度的仿真与计算分析

4．4．2 沿试件深度方向硬度的仿真与计算分析

4．5 本章小结

第5章 试件表层摩擦学特性实验研究

5．1 摩擦磨损试验

5．1．1 摩擦磨损试验机

5．1．2 高速往复摩擦磨损试验

5．2 摩擦磨损试验结果及分析

5．3 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢