磨削淬硬层残余应力的有限元分析

论文摘要

磨削淬硬是利用磨削加工中产生的磨削热直接对非淬硬钢进行表面淬火的复合加工新工艺。残余应力作为衡量淬硬层质量的性能指标之一,其研究对于有效的控制淬硬层质量,促进磨削淬硬工艺的发展与应用具有重要的意义。本文对磨削淬硬过程中的温度场和应力场进行了理论分析与试验研究。1)对40Cr钢的磨削力、淬硬层深度及残余应力进行了试验研究,探讨了磨削用量对磨削力和淬硬层深度的影响。试验得出,切向力和法向力随磨削深度和进给速度的增大而增大,随砂轮线速度的增大而减小;淬硬层深度随磨削深度和砂轮线速度的增大而增大,随进给速度的增大而减小;磨削深度对磨削力和淬硬层深度的影响大于进给速度和砂轮线速度的影响。采用X射线衍射法和电解剥层法测得残余应力沿工件深度方向的分布。测量结果表明,磨削淬硬层存在残余压应力,且在淬硬层深度范围内压应力数值变化不大;在淬硬层和非淬硬层的交界区域,压应力快速转变为拉应力,在淬硬层以下存在残余拉应力。2)运用ANSYS软件对40Cr钢磨削过程中的温度场进行了数值模拟,得出了工件的温度场和节点的温度变化历程。通过硬度测量试验得出的淬硬层深度与数值模拟计算的结果相比较,验证了温度场计算模型具有较好的精度。探讨了磨削用量对磨削区最高温度的影响,发现磨削区最高温度随磨削深度和砂轮线速度的增大而增大,随进给速度的增大而减小;磨削深度对磨削区最高温度的影响大于进给速度和砂轮线速度的影响。3)编制了热应力和热一力耦合应力场数值计算的APDL程序,得到了工件磨削后的应力状态及应力沿深度方向的分布。计算结果表明,工件表层存在残余拉应力,随着深度的增加,拉应力数值逐渐减小。在某一深度转化为压应力,再随着深度增加,压应力数值逐渐减小并趋于零。4)采用GUI操作和APDL语言相结合的方式,计算了磨削淬硬层热-力-相变耦合残余应力。残余应力沿深度方向的分布的数值模拟结果与试验结果一致,证明了理论计算模型的正确性。分析了磨削用量对残余应力的影响,发现随磨削深度和砂轮线速度增大,表面残余压应力数值相应减小;随进给速度增大,表面残余压应力数值相应增大。

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 课题研究的背景
• 1.1.2 本课题研究的意义
• 1.2 表面残余应力的研究现状
• 1.2.1 残余应力的计算方法
• 1.2.2 磨削表面残余应力的研究
• 1.2.3 金属相变应力研究
• 1.2.4 磨削淬硬残余应力的研究
• 1.3 磨削淬硬残余应力研究中存在的主要问题
• 1.4 本课题的主要研究内容
• 第2章 磨削淬硬试验研究
• 2.1 磨削力测量试验
• 2.1.1 试验材料及性能数据
• 2.1.2 试验条件
• 2.1.3 试验步骤
• 2.1.4 试验结果及分析
• 2.2 淬硬层深度测量试验
• 2.3 残余应力测量试验
• 2.3.1 试验方法
• 2.3.2 试验结果
• 2.4 本章小结
• 第3章 磨削淬硬温度场的ANSYS分析
• 3.1 磨削淬硬过程的传热学模型
• 3.2 温度场的数学模型
• 3.2.1 温度场的基本方程
• 3.2.2 温度场的有限元模型
• 3.3 温度场的计算过程
• 3.3.1 前处理
• 3.3.2 加载和求解
• 3.3.3 温度场的分析计算流程
• 3.4 温度场的数值模拟结果与分析
• 3.4.1 温度场的数值模拟结果
• 3.4.2 磨削用量对磨削区最高温度和淬硬层深度的影响
• 3.4.3 淬硬层深度预测结果与试验结果的对比分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 热-力耦合应力场的ANSYS分析
• 4.1 热-结构耦合的基本理论
• 4.2 热弹塑性理论
• 4.2.1 应力场计算的基本假设
• 4.2.2 热弹塑性应力应变关系
• 4.3 求解过程中的关键问题
• 4.3.1 加载问题
• 4.3.2 边界条件的约束
• 4.3.3 塑性准则的选择
• 4.3.4 材料的力学性能参数
• 4.3.5 加强收敛的方法
• 4.4 应力场的数值模拟结果
• 4.4.1 热应力场的数值模拟结果
• 4.4.2 热-力耦合应力场的数值模拟结果
• 4.5 本章小结
• 第5章 热-力-相变耦合应力场的ANSYS分析
• 5.1 磨削加工过程中金属材料的组织转变
• 5.2 相变分析的理论
• 5.3 耦合应力场的计算方法
• 5.3.1 网格的重新划分
• 5.3.2 材料力学性能参数的变化
• 5.3.3 指示变量的定义
• 5.4 残余应力的数值模拟结果与分析
• 5.4.1 残余应力的数值模拟结果
• 5.4.2 残余应力计算结果与试验结果的对比分析
• 5.4.3 磨削用量对淬硬层残余应力的影响
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表