单程平面磨削淬硬技术的理论分析和试验研究

论文摘要

磨削淬硬技术利用磨削热将工件表层加热到足够高温度，然后迅速冷却，使工件表层发生马氏体相变达到淬硬的目的。磨削淬硬技术将某些工件的表面热处理工艺和磨削加工工艺集成到一起，可以降低生产成本，提高生产效率，缩短产品生产周期，因此磨削淬硬技术具有较大的经济价值和社会效益。本文深入研究了磨削淬硬技术的基础理论，为磨削淬硬技术的工程应用提供指导。 在对合金钢40Cr进行试验研究的基础上，深入分析磨削淬硬加工参数对磨削淬硬结果的影响。试验研究发现，磨削淬硬的磨削力比值范围与磨削淬火钢的磨削力比值范围相一致，大于磨削普通钢的磨削力比值范围。磨削深度是影响工件表面硬度和磨削淬硬层厚度的主要因素。随着进给速度增加，磨削淬硬层的厚度减小，但表面硬度却略有提高。工件切入区域的磨削淬硬层厚度较薄，中部区域的磨削淬硬层厚度较为均匀，切出区域的磨削淬硬层厚度较深。 深入研究了磨削淬硬砂轮的磨损机理，发现工件中的铬合金高硬度质点使磨粒发生机械磨损。磨损平面出现了应力裂纹。溶化的磨屑粘附在磨粒的表面，加剧了磨粒的磨损。磨粒表面在交变的热和力的作用下形成很大的内应力，导致磨粒的断裂和破碎。大片的磨屑和溶化的磨屑粘结在一起粘附在磨粒间的空隙中，使砂轮失去容屑能力。 考虑砂轮修整对磨削弧内磨粒分布的影响，运用概率统计研究了磨削弧内磨粒的随机分布，推导出了磨粒的切入深度、磨粒与工件的接触半径，r0、磨粒与工件的真实接触面积和砂轮与工件的几何接触面积的比值A等数学模型，为热量分配比的计算提供了初始参数。 深入研究了磨削热量在磨粒、磨削液与工件间的传递关系，在磨削弧内假设磨削液分布在磨粒之间的空隙中，随砂轮一起转动，考虑了磨粒与工件的真实接触面积和砂轮与工件的几何接触面积的比值A以及磨粒与工件接触半径r0这两个参数的影响，建立了热量分配比计算模型，用来计算传入工件中的磨削热量值。 考虑了磨粒与工件间存在的滑擦、耕犁和切削作用，建立了磨削热源分布综合模型。由磨削热源分布综合模型推导出了矩形热源分布模型、三角形热源分布模型、矩三角形热源分布模型和梯形热源分布模型。由热源分布综合模型对磨削温度场进行数值计算，数值计算结果和试验测量结果有较好的一致性。数值模拟和试验研究表明，平面逆磨应当采用矩三角形热源分布模型，在磨削深度比较大时，矩三角形热源分布模型中的参数a=0，当磨削深度较小时，矩三角形热源分布模型中的参数a=0.5l；较大磨削深度的平面顺磨应当采用梯形热源分布模型。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.1.1 工程应用背景
• 1.1.2 磨削淬硬技术的特点
• 1.2 磨削淬硬技术的国内外研究现状
• 1.2.1 磨削工况条件对磨削淬硬层厚度的影响
• 1.2.2 磨削淬硬层的金相组织和磨削淬硬层的相变机理
• 1.2.3 磨削淬硬层的显微硬度
• 1.2.4 磨削淬硬层的残余应力
• 1.2.5 磨削淬硬层的摩擦磨损性能
• 1.2.6 磨削淬硬层的抗疲劳性能
• 1.3 磨削基础理论的研究现状
• 1.3.1 热量分配比的研究
• 1.3.2 磨削过程中磨粒分布的研究
• 1.3.3 热源分布模型的研究
• 1.3.4 磨削温度场的研究
• 1.4 磨削淬硬技术存在的主要问题
• 1.5 本课题的主要研究内容
• 第2章 磨削淬硬技术的试验研究
• 2.1 磨削力和磨削温度测试方法
• 2.2 试验研究
• 2.2.1 工件材料
• 2.2.2 试验方案
• 2.3 试验结果及分析
• 2.3.1 磨削力
• 2.3.2 磨削温度
• 2.3.3 X射线衍射物相分析
• 2.3.4 表面粗糙度
• 2.3.5 表面硬度和淬硬层深度
• 2.3.6 金相组织
• 2.4 砂轮磨损的研究
• 2.4.1 磨粒的磨损
• 2.4.2 砂轮的堵塞
• 2.5 本章小结
• 第3章 磨削弧内磨粒分布的概率统计研究
• 3.1 磨削弧内的总磨粒数
• 3.2 磨粒突起高度的概率统计模型
• 3.3 砂轮修整对磨粒概率分布的影响
• 3.4 磨粒的切入深度
• 3.5 接触磨粒和切削磨粒的概率统计
• 3.6 磨粒与工件的真实接触面积和砂轮与工件的几何接触面积
• 3.7 磨粒与工件的接触半径
• 3.8 磨削加工参数对接触磨粒和切削磨粒数目的影响
• 3.9 本章小结
• 第4章 磨削淬硬加工热量分配比的研究
• 4.1 磨削热量的传递关系
• 4.2 热量分配比的数学模型
• 4.3 影响热量分配比的主要因素
• 4.3.1 砂轮粒度对热量分配比的影响
• 4.3.2 磨削深度对热量分配比的影响
• 4.3.3 砂轮线速度对热量分配比的影响
• 4.3.4 进给速度对热量分配比的影响
• 4.3.5 热源分布形式对热量分配比的影响
• 4.3.6 磨削液对热量分配比的影响
• 4.3.7 磨削方式对热量分配比的影响
• 4.4 本章小结
• 第5章 磨削热源分布综合模型的研究
• 5.1 磨削热源分布综合模型的理论研究
• 5.1.1 磨削热源分布综合模型
• 5.1.2 基于热源分布综合模型的磨削温度场
• 5.1.3 磨削热源分布综合模型中的参数对热源分布的影响
• 5.2 热源分布模型对磨削温度场的影响
• 5.3 热源分布模型在磨削温度场计算中的应用
• 5.3.1 逆磨温度场计算应用矩三角形热源分布模型
• 5.3.2 顺磨温度场计算应用梯形热源分布模型
• 5.4 本章小结
• 第6章 磨削淬硬技术的数值模拟
• 6.1 磨削温度场的数学模型
• 6.1.1 温度场的平衡方程
• 6.1.2 温度场的有限元模型
• 6.2 磨削温度场的有限元数值模拟
• 6.2.1 磨削温度场边界条件的确定
• 6.2.2 实体模型的建立和网格划分
• 6.2.3 磨削温度场的加载
• 6.3 数值模拟结果及分析
• 6.3.1 磨削温度场的数值模拟结果
• 6.3.2 磨削淬硬层的数值模拟结果
• 6.3.3 磨削淬硬加工参数对温度场的影响
• 6.3.4 工件内部热量的传散
• 6.3.5 磨削温度场数值模拟技术的改进
• 6.4 本章小结
• 第7章 基于神经网络的磨削淬硬结果预测
• 7.1 神经网络系统的总体设计结构
• 7.2 磨削淬硬结果的预测
• 7.2.1 磨削力的预测结果
• 7.2.2 最高温度和温度梯度的预测结果
• 7.2.3 表面硬度和淬硬层厚度的预测结果
• 7.3 磨削淬硬加工参数的预测
• 7.3.1 基于磨削力和表面最高温度的参数预测
• 7.3.2 基于表面硬度、粗糙度和淬硬层深度的参数预测
• 7.4 神经网络数据样本的探讨
• 7.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文、参加的课题及获得奖励
• 致谢