磨削表面残余应力控制及零件表面完整性实验研究

摘要

磨削加工是机械制造中重要的加工工艺，随着机械产品精度、可靠性和寿命的要求不断提高，高硬度、高强度、高耐磨性、高性能新型材料的应用，给磨削加工提出了许多新问题。磨削加工切除工件材料时需要非常大的能量输入，并且大部分会以热能的形式进入工件，导致磨削区出现局部高温，甚至出现磨削烧伤，高温作用又影响被磨工件表面残余应力的大小和分布，而残余应力正是产生裂纹的主要原因，因此，本文对45钢平面磨削温度和表面残余应力进行仿真和试验研究，以寻求控制磨削工件质量具有重要的意义。
　　(1)本文首先利用有限元法详细地分析了磨削参数如磨削深度、砂轮线速度、工件进给速度等对45钢磨削温度场的影响，得出了工件磨削区温度场，预测了其温度场沿工件表面及深度方向的变化趋势。
　　(2)编制APDL程序，对45钢平面磨削热力耦合场进行了仿真分析，得到了工件磨削后在恢复室温时的残余应力大小及分布状态，绘制了沿工件深度方向变化的平行于磨削方向和垂直于磨削方向的应力曲线图，探讨了温度对残余应力形成的影响，以及改善磨削后工件表面残余应力的措施。
　　(3)基于不同磨削条件，对未淬火45钢进行了平面磨削试验，分别测试了干磨、湿磨以及不同磨削用量参数下被磨工件的表面残余应力以及硬度等表面完整性参数。
　　结合试验和仿真结果，得出磨削后在工件表面层形成极大的温度梯度，磨削深度比砂轮线速度和工件进给速度对磨削温度变化的影响效应大，磨削深度和砂轮线速度越大，磨削温度越高，工件进给速度越大，磨削温度略降低;残余应力在工件表层表现为拉应力状态，随着深度增加，拉应力变小，达到一定深度，拉应力转变为压应力，压应力逐渐变小并趋于一稳定值;湿磨比干磨，磨削温度和表面残余应力明显减小。试验验证结果和仿真结果吻合较好，研究结果为预测45钢平面磨削的磨削温度和残余应力分布状态提供了研究基础。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的背景

1．2 课题研究的意义

1．3 磨削温度的研究现状

1．3．1 磨削热源模型的研究

1．3．2 磨削温度场的温度计算方法

1．3．3 磨削温度的测量技术

1．4 残余应力的研究现状

1．4．1 磨削表面残余应力的研究

1．4．2 残余应力的产生原因

1．4．3 磨削残余应力的影响因素

1．4．4 残余应力对零件性能的影晌

1．4．5 残余应力的计算方法

1．4．6 磨削残余应力研究中存在的问题

1．5 本课题的主要研究内容

第2章 磨削温度场理论分析及仿真

2．1 磨削区温度的产生及磨削热流量的理论计算

2．2 平面磨削区温度场的数学模型

2．3 平面磨削区温度场的传热学模型

2．4 磨削区温度场的有限元计算过程

2．4．1 磨削工件有限元模型的建立

2．4．2 单元类型

2．4．3 确定材料的热性能参数

2．4．4 模型的网格划分

2．4．5 磨削温度场的加载和分析求解

2．5 磨削温度场计算结果与分析

2．5．1 热源模型对磨削温度的影响

2．5．2 干磨和湿磨条件对磨削温度的影响

2．5．3 磨削深度对磨削温度的影响

2．5．4 工件进给速度对磨削温度的影响

2．5．5 砂轮线速度对磨削温度的影响

2．6 本章小结

第3章 磨削残余应力理论分析及仿真

3．1 残余应力计算的基本理论

3．1．1 应力应变场的塑性流动理论

3．1．2 应力场计算的基本假设

3．1．3 磨削应力应变场的热弹塑性材料本构关系

3．1．4 热-结构耦合的基本理论

3．2 热力耦合场的ANSYS有限元模拟分析

3．2．1 改变单元类型，定义材料的结构属性

3．2．2 约束条件的施加

3．2．3 磨削载荷的施加

3．3 热力耦合场结果与分析

3．3．1 干磨和湿磨条件对磨削残余应力的影响

3．3．2 磨削用量对残余应力的影响

3．3．3 热力耦合仿真结果的讨论

3．3．4 改善残余应力的措施

3．3．5 ANSYS二次开发

3．4 本章小结

第4章 磨削表面完整性实验研究

4．1 实验用材料及性能

4．2 平面磨削实验用设备及条件

4．2．1 磨削设备

4．2．2 磨削条件

4．3 已磨表面形貌测量和观察实验

4．3．1 扫描电镜的工作原理及性能参数

4．3．2 工件表面形貌特征结果分析

4．4 表面粗糙度测量实验

4．4．1 测试仪器

4．4．2 表面粗糙度测量结果对比分析

4．5 表面硬度测量实验

4．5．1 测量方法

4．5．2 测量结果及分析

4．6 表面残余应力的测量实验

4．6．1 测量仪器

4．6．2 测量原理

4．6．3 测量方法及步骤

4．6．4 测量结果及分析

4．7 本章小结

第5章 结论和展望

参考文献

致谢