微晶陶瓷磨料砂轮磨削20CrMnTi齿轮时的划擦机理研究

摘要

汽车工业的发展对齿轮精度和加工效率提出了更高的要求，磨齿是齿轮加工工艺的重要工序，决定了齿轮加工精度和表面质量。本文分析了蜗杆砂轮磨齿和螺旋锥齿轮磨齿简化的方法，通过单颗磨粒划擦实验和连续磨粒划擦实验研究了微晶陶瓷磨料砂轮磨削20CrMnTi齿轮时的划擦机理，根据划擦结果对现有磨削加工表面粗糙度模型进行了修正。
　　分析了蜗杆砂轮磨齿和螺旋锥齿轮磨齿简化的方法，计算了砂轮工作面和齿轮齿面在啮合点处的相对运动速度和速度矢量方向上两共轭曲面的曲率半径，并将蜗杆砂轮磨齿过程简化成平面磨削，将展成法磨削螺旋锥齿轮的大齿轮过程简化成内圆磨削。
　　研究了单颗微晶陶瓷磨粒划擦渗碳淬硬20CrMnTi的划擦机理。结果表明，划痕是由磨粒表面多个微刃共同参与划擦而形成的，划痕表面具有明显的塑性流动特征。在一定的划擦速度下，法向力和切向力均随着划擦深度的增加而增大;在一定的划擦深度下，法向力随着划擦速度的提高而先增大后减小，切向力和单位磨削力随着划擦速度的提高而逐渐降低。研究了微晶陶瓷磨粒的磨损情况。结果表明，微晶陶瓷磨粒的磨损形式是破碎磨损、黏附磨损和磨耗磨损，小块的破碎磨损是其主要磨损形式。在较低的划擦速度下，应变率强化效应对材料的塑性变形起主导作用，工件材料以短块状磨屑的形式被去除。在较高的划擦速度下，磨粒前端的剪切区发生失稳绝热剪切，工件材料以节状磨屑的形式被去除。
　　研究了划擦深度和划擦速度对划痕两侧塑性隆起高度的影响。结果表明，当划擦速度为10m/s时，划痕两侧塑性隆起高度随着划擦深度的增加而呈现双峰波动趋势;在其它3种划擦速度下，划痕两侧塑性隆起高度的变化趋势类似，且整体变化不大。在一定的划擦深度下，划痕两侧塑性隆起高度随着划擦速度的提高而降低。
　　研究了连续磨粒共同参与下的微晶陶瓷磨粒划擦渗碳淬硬20CrMnTi的划擦机理。在磨粒运动轨迹完全重合的连续磨粒划擦实验中，二次划痕两侧产生塑性隆起;塑性隆起高度随着划擦深度的增加而增大，随着划擦速度的提高而逐渐降低。划痕边缘的塑性隆起形式主要是锯齿状边缘和面积较大的块状毛刺。逆磨划擦的切向力比顺磨划擦大，二次划痕两侧的塑性隆起高度比单颗磨粒划擦大。在磨粒运动轨迹部分重合的连续磨粒划擦实验中，一次划痕的沟槽边缘在二次划擦时被后续磨粒切除，二次划擦产生的塑性隆起在后续磨粒的推挤下流向一次划痕沟槽。磨粒运动轨迹部分重合的连续磨粒划擦力比单颗磨粒划擦力和磨粒运动轨迹完全重合的连续磨粒划擦力小。研究了磨粒间距对连续磨粒划擦过程的影响，结果表明，二次划擦的法向力随着磨粒间距的减小而减小，切向力在磨粒间距为20μm时最小，说明在连续磨粒划擦实验中运动轨迹部分重合的后续磨粒较为锋利，具有较高的材料去除效率。分析了连续磨粒划擦机理。结果表明，后续磨粒二次划擦的过程包括“滑擦—耕犁—切削”三个阶段。在较高的应变率和绝热水平下，二次划擦时磨粒前端的剪切区发生失稳绝热剪切，工件材料主要以节状磨屑的形式被去除。
　　建立了二次划痕两侧塑性隆起高度的线性回归方程，考虑了磨削加工中工件材料的塑性流动和划擦速度对划痕两侧塑性隆起高度的影响，对现有磨削加工表面粗糙度模型进行了修正，并进行了磨削验证实验。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1．1 齿轮磨削方法

1．1．2 齿轮磨削设备

1．1．3 微晶陶瓷磨料的研究现状

1．2 磨削加工划擦机理的研究现状

1．2．1 单颗磨粒划擦机理的实验研究

1．2．2 单颗磨粒划擦机理的仿真研究

1．2．3 磨粒磨损的研究现状

1．3 磨削加工表面形貌的研究现状

1．3．1 磨削加工表面粗糙度模型

1．3．2 磨削加工表面形貌的建模与仿真

1．4 磨削加工划擦机理研究中存在的问题

1．5 本文的研究目的、意义和主要研究内容

1．5．1 研究目的与意义

1．5．2 主要研究内容

第2章 圆柱齿轮和螺旋锥齿轮磨齿模型的简化

2．1 圆柱齿轮磨齿模型的简化

2．1．1 蜗杆砂轮磨齿的啮合参数

2．1．2 蜗杆砂轮磨齿的曲率参数

2．1．3 磨齿接触区

2．1．4 蜗杆砂轮磨齿模型的简化

2．1．5 算例

2．2 螺旋锥齿轮磨齿模型的简化

2．2．1 螺旋锥齿轮磨齿的啮合参数

2．2．2 螺旋锥齿轮磨齿的曲率参数

2．2．3 螺旋锥齿轮磨齿模型的简化

2．2．4 算例

2．3 本章小结

第3章 单颗磨粒划擦实验

3．1 实验条件

3．1．1 实验设备

3．1．2 实验材料

3．1．3 单颗磨粒划擦实验装置

3．2 实验方案

3．3 实验结果与分析

3．3．1 划痕形貌

3．3．2 划擦力与单位磨削力

3．3．3 划痕两侧的塑性隆起

3．3．4 微晶陶瓷磨粒的磨损

3．3．5 磨屑

3．3．6 单颗磨粒划擦机理分析

3．4 本章小结

第4章 连续磨粒划擦实验

4．1 连续磨粒划擦实验方法

4．2 磨粒运动轨迹完全重合的连续磨粒划擦实验

4．2．1 实验条件

4．2．2 实验方案

4．2．3 实验结果与分析

4．3 磨粒运动轨迹部分重合的连续磨粒划擦实验

4．3．3 实验结果与分析

4．4 变磨粒间距的连续磨粒划擦实验

4．4．1 实验条件

4．4．2 实验方案

4．4．3 实验结果与分析

4．5 连续磨粒划擦机理分析

4．6 本章小结

第5章 磨削加工表面粗糙度模型的修正

5．1 磨削加工表面粗糙度的形成原因

5．2 二次划痕两侧塑性隆起高度的线性回归分析

5．2．1 二次划痕两侧塑性隆起高度的线性回归分析

5．2．2 二次划痕两侧塑性隆起高度线性回归方程的显著性检验

5．3 磨削加工表面粗糙度模型的修正

5．4 磨削加工表面粗糙度修正模型的实验验证

5．4．1 实验条件

5．4．2 实验方案

5．4．3 验证结果与分析

5．5 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢