单程平面磨削淬硬层预测及其摩擦磨损性能研究

论文摘要

磨削淬火技术是一种新型的复合加工技术,该技术首先利用粗磨加工产生的大量磨削热,对工件表面进行淬火处理,工件表层温度在短时间被升高到奥氏体化的温度,然后被快速冷却到马氏体相变的温度,工件表层材料发生马氏体相变,从而提高了工件表面的硬度和耐磨性。然后再利用精磨加工满足工件的精度要求,解决了磨削中的热损伤和表面淬火难以集成到生产线的问题,将表面淬火技术集成在机械加工之中,实现了磨削加工与表面淬火相集成的新的加工工艺。磨削淬火工艺开拓了一个极富有潜力的研究方向,对磨削加工技术的发展和进步具有重要的理论意义,随着该技术在生产领域的应用,必将产生良好的经济效益和社会效益。本文主要研究内容和创造性成果如下:对热源的产生位置进行了深入的分析,忽略磨粒与磨屑界面上产生的热源,考虑在磨粒磨损界面和磨粒剪切平面产生的热源,建立了热量分配比模型。研究结果表明:由于考虑了剪切平面上热源的热量分配因素,计算出的热量分配比小于W.B.Rowe模型。研究加工参数与热量分配比的关系表明,磨削深度、进给速度对热量分配比的影响较小,砂轮线速度对热量分配比的影响较大,随着砂轮线速度增加,工件的热量分配比明显增加。分析了磨削加工参数对倾斜平面移动热源模型的影响,研究表明,与平面移动热源模型相比,随着磨削深度和工件的进给速度的增加,磨削弧区内的最高温度随之降低。热源分布形状对倾斜热源模型的影响与平面热源模型的影响是一致的,考虑到磨粒所受的力由切入处到切出处逐渐变大,采用了三角形热源形状对磨削淬火技术温度场进行计算和预测。基于砂轮表面磨粒为正态分布的假设,将磨削弧区内的磨粒分为滑擦磨粒和切削磨粒,分析了单颗切削磨粒和滑擦磨粒的受力情况,建立了单颗粒磨粒的磨削力计算模型。运用概率统计理论对磨粒的磨削过程进行深入研究,分别得出了切削和滑擦的磨粒数目,建立磨削力的理论计算模型,并计算了磨削力。研究磨削加工参数对磨削力的影响,研究结果表明,随着磨削深度的增加,进入磨削弧区内的磨粒数目也随之增加,且参与滑擦磨粒和切削磨粒的概率也增加,导致磨削力的增加。随着工件进给速度的增加,参与磨削加工的磨粒的概率和进入磨削弧区内磨粒数目增多,磨削力也随之增大。随着砂轮线速度的增大,使进入磨削弧区内滑擦磨粒的概率和切削磨粒的概率降低,参加磨削的磨粒数目减少,因此砂轮线速度的增加会导致磨削力的减少。对磨削加工和传热学进行了深入的理论分析,建立了磨削温度场的数学模型和有限元模型,利用建立的磨削力预测模型,计算出磨削弧区内的磨削热源强度,对不同磨削加工参数条件下的磨削淬火温度场进行有限元分析,得出工件表层的温度场和温度变化历程的仿真结果,根据热处理理论,对磨削表层是否淬硬、工件表面硬度和淬硬层的深度进行预测。研究磨削深度和工件进给速度对磨削淬硬层深度的影响表明,淬硬层深度随着磨削深度的增加而增加,但淬硬层深度随着工件的进给速度的增加,呈现先增加后减少的趋势,因此只有在较高的磨削深度和合适的工件进给速度的条件下,才能得到较厚的磨削淬硬层。进行了相应的磨削淬火技术实验研究,对磨削力和磨削温度进行了测量。磨削力测试结果表明,利用建立的磨削力模型可以对磨削力进行较准确的预测,能够为磨削淬火工艺的仿真预测提供较准确数据。磨削温度测试结果表明,利用有限元计算得到的磨削弧区的磨削温度结果与实验结果较为符合,误差小于11%,其中最大误差为10.3%。显微硬度测试表明,磨削表面硬度预测结果与实验结果较吻合。不同参数条件下的磨削淬硬层深度的预测值与实验测量值的比较结果表明,预测的最大误差为14.1%,因此对磨削表面硬度和淬硬层深度的预测是完全可行的。对湿式磨削淬火技术进行初步探讨,提出适合磨削淬火技术的磨削液加注方法,进行了相应的实验研究。研究结果表明,新的磨削液加注方式可以在保证磨削淬硬层深度的基础上,提高磨削淬硬层的硬度,改善了磨削淬硬层的硬化效果,使磨削淬火工艺使用范围得到了提高。与干式磨削淬火相比,新的磨削液加注方式不仅可以提高工件表面形貌,而且可避免工件表层的氧化现象的发生。利用MG-2000型高温高速磨损试验机对磨削淬硬层材料、常规淬硬层材料和软化钢进行摩擦磨损试验。试验研究结果表明:磨削淬硬层材料的摩擦磨损性能优于常规淬火处理材料。磨削淬火技术产生的马氏体组织较为细小,且具有较高的位错密度,提高了磨损过程中的塑性变形抗力和断裂强度,改善了材料的耐磨性能,延迟材料从轻微磨损向严重磨损的转变,在较高试验载荷、滑动速度和滑动距离情况下,磨削淬硬层材料的耐磨效果更为突出。在干滑动摩擦条件下,磨削淬硬层材料在低载荷、低滑动速度和较短的滑动距离条件下,磨削淬硬层材料的磨损机制主要以磨粒磨损为主:随着试验载荷、滑动速度和滑动距离的增加,磨削淬硬层材料的磨损机制转化为以氧化磨损和磨粒磨损为主;随着试验载荷、滑动速度和滑动距离的进一步增加,磨削淬硬层材料的磨损机制将转变为以粘着磨损为主。不同的摩擦磨损试验条件形成不同的磨屑形状,主要有块状磨屑、片状磨屑、团状磨屑三种类型磨屑。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景与意义
• 1.1.1 磨削淬火技术的工程背景
• 1.1.2 磨削淬火技术的特点
• 1.2 磨削淬火技术的发展及关键技术
• 1.2.1 磨削淬火技术的发展概况
• 1.2.1.1 磨削加工参数对磨削淬火技术的影响
• 1.2.1.2 磨削淬火相变机理的研究
• 1.2.1.3 磨削淬硬层的性能研究
• 1.2.2 磨削淬火技术的关键技术
• 1.2.2.1 磨削力的研究
• 1.2.2.2 磨削弧区热量分配比例研究
• 1.2.2.3 磨削温度场的研究
• 1.3 磨削淬硬技术存在的主要问题
• 1.4 本课题的主要研究内容
• 第2章 热量分配比与倾斜移动热源模型研究
• 2.1 磨削淬火中热量分配比的研究
• 2.1.1 磨削加工中热量传递关系
• 2.1.2 磨粒与工件界面上的热量分配比
• 2.1.3 磨屑与工件界面上的热量分配比
• 2.1.4 热量分配比计算模型的建立
• 2.1.5 磨削参数对热量分配比的影响
• 2.1.5.1 磨削深度对热量分配比的影响
• 2.1.5.2 工件进给速度对热量分配比的影响
• 2.1.5.3 砂轮线速度对热量分配比的影响
• 2.2 倾斜移动热源模型的研究
• 2.2.1 热源模型的假设条件
• 2.2.2 倾斜平面移动热源模型
• 2.2.3 分析与讨论
• 2.2.3.1 倾斜平面热源模型与平面热源模型的比较分析
• 2.2.3.2 磨削参数对倾斜平面热源模型影响
• 2.2.4 热源形状对倾斜移动热源模型的影响分析
• 2.2.4.1 热源形状
• 2.2.4.2 不同热源形状对倾斜移动热源的影响
• 2.3 本章小结
• 第3章 基于概率统计的磨削力计算
• 3.1 单颗磨粒的磨削力计算模型
• 3.1.1 单颗磨粒的切削力计算模型
• 3.1.2 单颗磨粒的滑擦力计算模型
• 3.2 磨粒的数目统计
• 3.2.1 磨粒高度的概率分布函数
• 3.2.2 磨削弧内总的磨粒数
• 3.2.3 磨粒的切入深度
• 3.2.4 切削磨粒和滑擦磨粒的概率统计
• 3.3 磨削力预测模型的建立
• 3.3.1 总的切削磨粒产生的磨削力
• 3.3.2 总的滑擦磨粒产生的磨削力
• 3.3.3 总的磨削力计算
• 3.3.4 磨削力计算流程图
• 3.3.5 磨削力实例计算
• 3.4 磨削加工参数对磨削力的影响分析
• 3.4.1 砂轮粒度对磨削力的影响
• 3.4.2 工件进给速度对磨削力的影响
• 3.4.3 磨削深度对磨削力的影响
• 3.4.4 砂轮线速度对磨削力的影响
• 3.5 本章小结
• 第4章 磨削淬硬层性能的预测研究
• 4.1 磨削淬火温度场的传热学模型
• 4.1.1 热量的传递方式
• 4.1.2 磨削淬火过程的传热学模型
• 4.2 磨削淬火温度场的数学模型
• 4.3 磨削淬火温度场的有限元模型
• 4.3.1 稳态温度场的有限单元法
• 4.3.2 瞬态温度场的有限单元法
• 4.4 磨削淬火温度场的有限元数值模拟
• 4.4.1 磨削淬火温度场的前处理
• 4.4.1.1 单元类型与形函数的选取
• 4.4.1.2 磨削淬火温度场的建模与网格划分
• 4.4.2 磨削淬火温度场的加载和求解
• 4.4.2.1 磨削热流密度的计算
• 4.4.2.2 加载与求解
• 4.5 磨削温度场的仿真结果与淬硬层的预测
• 4.5.1 磨削温度场的仿真结果
• 4.5.2 磨削淬硬深度的预测
• 4.5.2.1 磨削淬硬现象的断定
• 4.5.2.2 工件表层的淬硬层深度预测
• 4.5.2.3 工件表层最大硬度值预测
• 4.5.2.4 磨削淬硬层预测流程图
• 4.5.3 磨削加工参数对磨削淬硬层深度的影响分析
• 4.5.3.1 磨削深度对淬硬层深度的影响
• 4.5.3.2 工件进给速度对淬硬层深度的影响
• 4.6 本章小结
• 第5章 磨削淬火技术的实验研究
• 5.1 干式磨削淬火实验研究
• 5.1.1 实验材料
• 5.1.2 磨削力测试方案
• 5.1.3 磨削温度测试方案
• 5.1.4 磨削力与磨削温度实验过程及实验参数
• 5.1.5 实验结果
• 5.1.5.1 磨削力的测量结果
• 5.1.5.2 磨削温度的测量结果
• 5.2 湿式磨削淬火实验研究
• 5.2.1 湿式磨削淬火
• 5.2.2 实验参数
• 5.3 磨削淬硬层的显微硬度测量
• 5.3.1 工件表面硬度测量
• 5.3.2 淬硬层深度测量
• 5.3.2.1 淬硬层深度的测试方法
• 5.3.2.2 淬硬层深度预测值与测量值的比较
• 5.3.2.3 不同冷却条件下磨削淬硬层深度的比较
• 5.4 磨削淬硬层表面的扫描电镜
• 5.5 磨削淬硬层表面的金相组织
• 5.6 本章小结
• 第6章 磨削淬硬层的摩擦磨损特性
• 6.1 磨削淬硬层摩擦磨损试验
• 6.1.1 摩擦磨损试样的制备
• 6.1.2 试验方案和测试
• 6.1.3 摩擦磨损的评价指标
• 6.2 磨削淬硬层摩擦磨损试验结果
• 6.2.1 试验参数对磨削淬硬层的磨损率和摩擦系数影响
• 6.2.1.1 滑动速度对磨削淬硬层的磨损率和摩擦系数影响
• 6.2.1.2 试验载荷对磨削淬硬层的磨损率和摩擦系数影响
• 6.2.1.3 滑动距离对磨削淬硬层的磨损率和摩擦系数影响
• 6.2.2 磨削淬硬层的磨损表面特征
• 6.2.2.1 滑动速度对磨削淬硬层的表面磨损影响
• 6.2.2.2 试验载荷对磨削淬硬层的表面磨损影响
• 6.2.2.3 滑动距离对磨削淬硬层的表面磨损影响
• 6.3 磨削淬硬层的磨屑分析
• 6.4 分析与讨论
• 6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的论文、参加的课题及获得奖励
• 致谢
• 附件
• 学位论文评阅及答辩情况表