论文摘要
磨削淬硬技术是一种新型的复合加工技术,该技术利用粗磨产生的磨削热,使工件表层温度快速升高到奥氏体化温度,然后快速冷却到马氏体相变温度,工件表层材料发生马氏体相变,实现工件的表面淬火处理。表面淬硬技术实现了磨削加工与表面淬火技术的集成,在生产领域有很好的前景。本文以磨削理论研究为基础,结合热力耦合数值分析及磨削淬硬实验,对磨削淬硬加工中的工件变形及加工后磨削淬硬层深度的分布进行了研究,并提出通过变切深磨削轮廓方式控制磨削淬硬层深度分布均匀性。本文主要研究内容如下：(1)变热流密度加载温度场数值分析磨削加工中磨削力动态变化大,根据实验测量的磨削力动态变化曲线,求出变热流密度值,然后加载数值分析磨削温度场,温度场数值分析考虑了材料热物性系数的变化、相变潜热和周围环境的对流换热。数值分析结果显示,变热流密度加载相比恒定热流密度加载的仿真温度动态变化更明显,考虑相变潜热仿真温度明显低于未考虑的结果,而施加外界对流换热条件对温度影响很小。通过变热流密度加载的仿真温度场预测了磨削淬硬层深度分布,与实验测量的磨削淬硬层深度分布趋势相似。(2)磨削淬硬热力耦合数值分析建立了磨削淬硬热力耦合有限元数值分析模型,热力耦合有限元分析第一个阶段为仿真磨削温度场,第二个阶段将有限元热分析转换成结构分析,施加结构边界条件,以磨削温度为节点温度,以磨削力为磨削弧区压力载荷,对磨削热力作用下的工件进行结构有限元分析。本文选择了高度不同的三种工件分别数值分析,得到不同时刻的工件变形,工件变形使加工中的工件向上凸起,变形随加载过程不断变化,磨削弧区变形最大,在工件中部区域变形量最大。由于磨削弧区材料的凸起变形,实际磨削深度为设定磨削深度与凸起切深之和。工件变形是磨削加工中工件材料发生了弹塑性应力应变的结果,有限元同时分析出工件内部应力应变及约束位置的约束反力,分析结果表明,工件加工表层以塑性变形为主,工件表层下方以弹性变形为主,离工件表层越远,应力应变越小。对三种工件的变形进行了比较分析,结果显示,高度尺寸最小的工件变形最大,约束反力最大；高度最大的工件变形最小,约束反力变化幅度最小,并对加载和未加载磨削力下的工件变形进行了比较,磨削力加载对变形影响很小,变形主要是热变形。通过对三种尺寸工件进行磨削淬硬实验验证了相关分析,工件尺寸越薄,磨削力变化越大,磨削后变形越严重,磨削淬硬层深度分布越不均匀。(3)磨削淬硬技术磨削力动态变化分析及预测分析了实验测量磨削力曲线变化原因,磨削切入切出区由于材料去除骤增骤减而变化剧烈；磨削稳定区磨削力动态变化,受到磨削变形和磨削弧区温度综合影响。结合平面磨削力计算模型,对磨削弧区温度及磨削变形对磨削力的影响进行了分析,磨削变形有增加磨削力的趋势,而磨削弧区高温使材料软化,降低了磨削力的增大,但磨削弧区高温并没有导致磨削力的急剧减小,原因是大部分的磨削力产生于磨削弧区前方,而磨削弧区前方材料总体温度低、切屑厚度大,保证了磨削力没有明显减小。通过磨削弧区温度对磨削力的影响分析,对磨削力计算模型进行了修正。通过磨削力计算模型、磨削变形分析预测并分析了磨削力变化规律,当磨削弧区前方材料的凸起无法抵消磨削弧区凸起变形减小时,磨削力开始下降。(4)磨削淬硬层深度均匀性研究工件变形增加了磨削切深,通过实际切深对变热流密度进行了修正,修正后热流密度对应的磨削淬硬层深度分布与实验测量结果较符合。通过对比磨削力曲线、磨削温度变化曲线、工件变形曲线,得出磨削力、磨削温度和磨削变形三者之间相互影响,是导致磨削淬硬层深度分布不均匀的重要原因。提出改善磨削淬硬层深度分布不均匀的措施,可通过控制磨削变形或磨削力的方式。可利用变切深磨削轮廓方式,控制磨削力的变化,从而控制磨削淬硬层深度的均匀性。变切深磨削轮廓求解具体方法是将磨削过程分成区间进行分析,在每个区间上以磨削淬硬深度为已知量,磨削切深为未知量,进行热力耦合有限元分析,找到磨削力、磨削温度及磨削变形在该区间上的的平衡,即得到该区间待求磨削切深,然后根据各个区间结果绘制总的磨削切深轮廓曲线。最后通过变切深磨削轮廓实验验证了分析结果,加工后工件的表面轮廓平面度及淬硬层深度均匀性均得到改善。