磨削工件表面硬化层分布的一致性研究

摘要

磨削硬化技术主动利用磨削加工中产生的热与机械作用直接对非硬化钢进行表面硬化处理，使工件表面材料发生马氏体相变从而产生硬化层。磨削硬化技术将表面热处理集成到机械加工生产线中，缩短了生产周期，降低了生产成本，减少了对能源的消耗以及对环境的污染，是一种绿色制造工艺。
　　本文分析了磨削加工后零件表面的硬化层硬度分布的一致性，以试验为基础，应用ANSYS软件对磨削硬化过程进行了温度场仿真。利用零件的温度变化曲线，结合钢的淬透性原理、材料的热处理和磨削加工硬化等理论结合磨削硬化层硬度计算理论公式计算了磨削加工零件的表面硬度。揭示了影响磨削加工零件表面硬化层硬度分布的主要因素及分布规律。
　　以45钢为试件材料进行了大切深缓慢进给的平面磨削试验，测量了磨削后试件硬化层表面的硬度、硬化层断面的硬度和厚度。对试验结果进行了深入分析，明确了不同磨削条件对工件表面硬化层的影响。从而总结出磨削加工零件表面硬化层的硬度分布规律。
　　为分析磨削硬化机理，应用ANSYS有限元软件对平面磨削加工零件进行了温度场仿真。利用温度场曲线，计算出零件的冷却速率，结合试件材料的各化学含量，计算出了硬化层表面硬度，断面硬度与硬化层厚度。将仿真结果与试验结果进行对比，误差在允许的范围内，互相验证了试验和仿真结果的正确性。
　　研究表明，利用磨削热使磨削加工零件表面产生硬化层是可行的。对于大切深缓慢进给的工件的沿磨削进给方向的硬化层表面的切入区、过渡区不明显，完全硬化区占了绝大部分的比例。但硬化层的断面可清晰的分为完全硬化区、过渡区和基体区。
　　磨削热是使工件材料发生相变是工件表层产生硬化的主要原因。工件表面完全硬化层硬度分布具有离散性，但变化不大。影响其硬度的主要因素为工件材料和冷却速度。其中，工件材料起主导作用。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的研究背景

1．2 磨削加工硬化技术的提出及技术特点

1．3 磨削表面硬化的国内外研究现状

1．3．1 磨削表面硬化的国外研究成果

1．3．2 磨削表面硬化的国内研究成果

1．3．3 磨削硬化层硬度的研究

1．3．5 磨削硬化层厚度预测

1．4 磨削硬化技术的主要问题

1．5 本文的主要研究内容

1．6 本章小结

第2章 磨削硬化层硬度及分布的理论分析

2．1 影响磨削硬化加工的主要因素

2．2 钢的淬透性和淬硬性

2．3 磨削温度场的理论分析

2．3．1 磨削热的产生

2．3．2 磨削温度场理论模型

2．4 磨削力的理论分析

2．4．1 磨削力的数学模型

2．4．2 磨削力的经验公式

2．5 磨削过程中的热量分配比例系数研究

2．6 磨削加工硬化层硬度的计算

2．7 本章小结

第3章 磨削加工零件硬化层硬度分布一致性的试验研究

3．1 磨削硬化加工试验

3．1．1 试验条件的确定

3．1．2 磨削加工试验方案设计

3．2 试件硬度测量

3．2．1 试验仪器及原理简介

3．2．2 试验结果及分析

3．3 本章小结

第4章 磨削硬化零件表面硬度仿真

4．1 磨削加工温度场的分布模型

4．1．1 热量的传递方式

4．1．2 磨削硬化过程的传热学模型

4．2 磨削硬化温度场的数学模型

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 磨削硬化温度场仿真

4．3．1 磨削硬化工件有限元模型的建立

4．3．2 单元类型的确定

4．3．3 磨削硬化温度场参数条件的确定

4．3．4 热源的离散

4．3．4 热源的加载及求解

4．3．5 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 零件硬化层断面硬度的仿真与计算分析

4．4．3 不同磨削条件下的零件表面硬度的仿真与计算分析

4．5 本章小结

第5章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

参加科研情况说明

致谢