渗碳淬火和磨削硬齿面残余应力数值计算方法

摘要

齿轮是制造机械中的核心传动元件，在相同的材料性能下，优异的表面质量和精度特性将有利于改善齿轮的使用寿命和特性，因此通常需要热处理和磨削等手段提高齿轮的表面质量和精度。齿轮表面残余应力场是接触疲劳寿命的重要影响因素，残余应力场的计算与测试精度将影响齿面接触疲劳寿命的预测，齿面残余应力的测试周期与成本较高，数值计算可有效地节约时间与经济成本。精确的齿轮几何模型是开展数值计算的前提，齿轮制造时的渗碳淬火和磨削工艺对残余应力的大小和分布有较大的影响。　　本文分析了低速重载齿轮的渗碳淬火和磨削对齿轮服役寿命的影响，研究齿轮加工残余应力的发展历程和产生机理及其影响因素，提出热-弹-塑性的数值模型，然后运用解析法进行仿真渗碳淬火齿轮的残余应力，研究工艺涉及参数对齿轮性能的影响。具体研究内容如下：　　(1)基于成形法磨削的斜齿轮几何建模。在成形磨削齿轮的过程中，基于齿轮的磨削运动学原理，根据齿轮分段轮廓修正，推导了砂轮轮廓和砂轮和齿轮之间的接触线方程，由于接触线方程是一个超越方程，安装角度与形状之间的关系无法通过显式函数表达，本文以渐开线，展开角和转角三个评估参数为目标函数，以安装角度作为变量，建立接触线优化模型，通过牛顿迭代法完成方程求解，通过优化确定参数，使齿面误差最小化，建立较准确的齿轮几何模型。　　(2)成形法磨前的齿面改性数值计算方法。本文使用通用仿真软件Deform分析了渗碳淬火过程中斜齿轮的变形，并结合热传导、碳扩散、相变和热应力的耦合计算，通过考虑齿轮的实际渗碳和淬火技术，并通过求解扩散方程来模拟齿轮的渗碳过程，获得渗碳层中的碳含量分布，然后基于金属热力学原理，仿真齿轮淬火过程，得到淬火过程组织成分和应力分布，结果表明渗碳对淬火过程有着显著影响。最后分析渗碳淬火工艺的影响因素，建立齿轮热处理变形控制方法。　　(3)渗碳淬火齿轮的磨削数值计算方法。主要研究齿轮磨削的表面完整性问题以及磨削齿轮的结构稳定性，主要涉及微观结构和残余应力的变化，考虑渗碳淬火对磨削的影响，将热处理渗碳淬火产生的变形通过以初始残余应力的形式叠加到磨削工艺，运用已验证正确的磨削有限元计算模型，仿真计算磨削齿轮表面应力分布，分析工艺参数对齿轮性能的影响，得到渗碳淬火齿轮磨削后的应力与变形情况，在齿轮表面呈现为残余压应力的同时，里层呈现残余拉应力。

目录

声明

第 1 章 绪 论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 齿面残余应力发展历程及分析方法

1.2.1 齿面渗碳淬火残余应力的分析方法

1.2.2 齿面磨削残余应力的发展历程及影响

1.3 课题的来源及主要研究内容

1.4 本章小结

第 2 章 成形法磨削齿轮几何模型

2.1 标准斜齿轮的几何模型

2.1.1 渐开线螺旋面方程的求解

2.1.2 齿根过渡螺旋面方程的求解

2.1.3 齿顶过渡螺旋面方程的求解

2.2 齿轮成形磨削接触线的计算方法

2.2.1 齿轮成形磨削的接触条件

2.2.2 磨削接触线的求解

2.3 成形法磨削齿面求解

2.4 本章小结

第 3 章 成形法磨前齿面渗碳淬火数值计算

3.1 齿轮渗碳淬火的计算模型

3.2 齿轮渗碳淬火的材料模型

3.2.1 材料的热物理性能模型

3.2.2 材料的等温转变模型和流动应力计算

3.3 齿轮热处理数值模拟结果分析

3.4.1 组织初始化加热参数的影响

3.4.2 渗碳参数的影响

3.4.3 回火工艺参数影响

3.4.4 冷却介质参数和选材的影响

3.5 本章小结

第 4 章 成形法磨齿界面温度场和应力场计算

4.1 齿轮磨削温度场的计算模型

4.2 齿轮磨削温度场有限元分析

4.2.1 磨齿温度场有限元数值计算

4.2.2 磨削工艺参数对齿面温度的影响规律

4.3 基于力-热耦合的齿轮磨削有限元仿真

4.3.1 齿面磨削力-热耦合的有限元模型

4.3.2 磨削工艺参数对残余应力的影响

4.4 本章小结

第 5 章 渗碳淬火齿面磨削数值计算

5.1 渗碳淬火齿轮初始残余应力的加载

5.2 渗碳淬火齿轮磨削数值计算

5.2.1 温度场分析

5.2.2 残余应力分析

5.3 本章小结

总结与展望

参考文献

附录A(攻读硕士学位期间的项目研究情况及成果)

致谢