磨削加工表面烧伤机理及仿真研究

论文摘要

磨削烧伤是在磨削过程中其产生的瞬时高温使得工件表层的金相组织发生变化或软化变形,并在工件的某些表面出现氧化变色的现象。所以磨削区内的瞬时高温是形成变质层的主要条件,磨削烧伤理论的建立主要是在磨削区内温度场的研究基础上的,只有在对磨削热产生的来源充分了解的基础上才能对磨削烧伤的现象做出合理的解释及提出改善的办法。本文以平面磨削45#钢为例,从产生磨削烧伤的原因出发,这其中包括磨削时的基本参数、也包括磨削时的其他加工条件。分析了烧伤成因的理论,即磨削区短期内产生的高温是产生磨削烧伤的主要原因。所以在此基础上本文通过多种方法仿真得出磨削区内温度的分布及相应残余应力分布的状况。本文从这一目的出发,主要进行了以下方面的研究：(1)根据磨削加工的特点,从其加工成形的机理出发,研究了磨削区温度产生的来源及计算方法,并建立了磨削区的理论模型,其中包括热源的模型及温度传导模型。(2)理论模型确立以后,对影响磨削过程的各个磨削参数进行了详细的分析,通过有限元分析软件建立了磨削时的实体模型,并添加基本的加载条件后对磨削的状况进行了有效的仿真分析。在此基础上,通过研究各个加工参数对磨削区温度的影响程度及趋势,从而得出改善磨削烧伤产生程度的一些措施和方法。(3)由于磨削热产生的原因主要来自于材料大的塑性变形和砂轮磨粒与工件的强烈摩擦,在建立的理论模型基础上,从数值分析的角度对磨削区的加工状态进行了数值仿真研究,从不同角度克服了有限元仿真的局限,更加合理的验证了各个磨削参数对温度的影响。(4)从磨削加工的过程仿真出发,采用单颗磨粒对加工过程进行了仿真,这样从微观的角度做出进一步的分析,验证了磨削参数对磨削区温度场的影响趋势。(5)在仿真基础上,提出了实际磨削加工时各个磨削参数的优化方法,并对非磨削参数进行了分析及优化。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究背景
• 1.2 磨削烧伤的识别及检测方法
• 1.3 磨削烧伤的研究现状
• 1.3.1 国内的研究现状
• 1.3.2 国外的研究现状
• 1.4 本课题研究的意义及主要内容
• 1.5 本章小结
• 第2章 磨削烧伤机理理论研究
• 2.1 磨削工艺方法概述
• 2.1.1 磨削加工主要方法
• 2.1.2 磨削工艺技术的发展趋势
• 2.2 磨削烧伤理论分析
• 2.2.1 磨削区磨削热的产生
• 2.2.2 磨削区内温度分布场的理论研究
• 2.2.3 磨削区温度过高引起磨削烧伤
• 2.2.4 磨削烧伤对工件机械性能的影响
• 2.3 普通磨削加工机理及其对磨削温度的影响
• 2.3.1 磨削参数对磨削温度场的影响
• 2.3.2 磨削过程的特点及磨屑的形成
• 2.3.3 磨削过程中主要的磨削要素
• 2.4 本章小结
• 第3章 磨削烧伤模型的建立及仿真
• 3.1 磨削烧伤模型的建立
• 3.1.1 磨削温度场热传导模型的理论分析
• 3.1.2 实体烧伤模型的建立
• 3.2 磨削参数和材料设定及加载
• 3.2.1 材料的选取及性质
• 3.2.2 基本模型的构建及相关设置
• 3.3 温度场仿真结果分析
• 3.3.1 各主要磨削参数的设定
• 3.3.2 温度场及残余应力等结果分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 磨削温度场的数值仿真分析
• 4.1 磨削区理论模型的建立
• 4.1.1 塑性变形生热的理论解析
• 4.1.2 摩擦生热数学模型的建立
• 4.2 数值结果的仿真分析
• 4.2.1 磨削基本参数的设置
• 4.2.2 程序的编制
• 4.2.3 仿真结果分析
• 4.2.4 两种仿真的分析对比
• 4.3 本章小结
• 第5章 单颗磨粒磨削仿真及优化
• 5.1 单颗粒磨削烧伤仿真模型的建立
• 5.1.1 二维几何模型的分析
• 5.1.2 三维模型的建立
• 5.1.3 单元网格的划分
• 5.2 仿真结果分析
• 5.2.1 分析约束及相关条件设置
• 5.2.2 仿真分析结果的得出
• 5.3 仿真后非磨削参数的优化方法及其探索
• 5.3.1 砂轮主轴的振动对磨削区温度的影响
• 5.3.2 砂轮钝化对磨削区温度的影响
• 5.3.3 磨削液对磨削区温度的影响
• 5.3.4 磨屑带走的热量对磨削区温度的影响
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论与建议
• 6.1 结论
• 6.2 建议
• 参考文献
• 致谢