论文摘要
磨削淬硬是利用磨削热对非淬硬钢进行表面淬火的新型复合技术,具有良好的应用前景。本文通过理论分析、数值模拟与实验验证相结合的方法,对磨削淬硬技术在成形加工齿条过程中的应用进行了研究,为齿条成形磨削淬硬工艺参数的选择提供了依据,主要研究内容如下：在普通平面磨床上进行了成形磨削淬硬实验研究,测量了磨削力及工件表层显微硬度,计算出淬硬层深度,并采用X射线衍射法对加工后工件的表面残余应力进行了测量,探讨了残余应力与加工参数之间的关系。基于砂轮表面磨粒的概率统计,结合平面磨削力计算公式,建立了成形磨削力的计算模型,理论结果与实验结果的误差小于10%,该计算模型作为磨削弧区热流密度计算的基础。采用迭代求解法对相变潜热及换热系数进行了理论计算,基于传热学理论,建立了成形磨削淬硬的温度场计算模型。综合考虑材料的热物性参数随温度的变化、相变潜热、对流换热等因素,对成形磨削淬硬温度场进行了数值模拟,得出了工件表层温度场及节点温度变化历程,并推断出磨削淬硬层深度,与实验结果具有较好的一致性。在屈服准则、应变强化定律以及流动法则的基础上,对成形磨削淬硬过程的热弹塑性本构关系进行了推导,研究了弹塑性区的应力应变关系。基于热-结构耦合理论,建立了应力场的有限元仿真模型,对成形磨削热应力场及热-力耦合应力场进行了仿真计算,发现磨削力的加载对热应力场的影响较小。在热应力场仿真模型的基础上,考虑相变对应力场的影响,计算了齿条成形磨削淬硬的表层残余应力,与实验值较为接近,误差小于15%。齿条表面表现为压应力,在垂直于齿面深度方向上,压应力逐渐减小并转化为拉应力。将磨削深度和工件进给速度作为参数变量,固定其他磨削条件,建立了齿条成形磨削淬硬工艺参数选择的流程。以温度场仿真研究为基础,以奥氏体化及材料熔化温度所对应的临界热流密度为约束条件,建立了磨削参数与淬硬层深度的对应关系。根据齿条加工的技术要求,以淬硬层深度为条件,对加工工艺参数进行初步选择,然后结合残余应力场分析结果,确定较佳的磨削参数组合。对模数为2mm的齿条加工参数进行了实例计算,确定了工艺参数。
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摘要ABSTRACT第1章 绪论1.1 课题研究的背景与意义1.1.1 磨削淬硬技术的工程背景1.1.2 本课题研究的意义1.2 磨削基础理论的研究现状1.2.1 磨削力的研究1.2.2 磨削温度场的仿真研究1.2.3 成形磨削研究1.3 磨削淬硬技术的研究现状1.3.1 磨削加工参数对磨削淬硬的影响1.3.2 磨削淬硬层的残余应力研究1.4 本文的主要研究内容第2章 齿条成形磨削淬硬实验研究2.1 引言2.2 实验条件2.2.1 实验材料2.2.2 实验方案2.3 磨削力测量实验2.3.1 磨削力测量方案2.3.2 实验结果及分析2.4 磨削淬硬层测量实验2.4.1 测量原理及方案2.4.2 实验结果及分析2.5 磨削淬硬层残余应力测量实验2.5.1 测量原理与方案2.5.2 实验结果及分析2.6 本章小结第3章 齿条成形磨削淬硬温度场研究3.1 引言3.2 成形磨削力计算3.2.1 平面磨削力计算3.2.2 倾斜面磨削力计算3.2.3 理论计算及验证3.3 成形磨削淬硬过程的传热学模型3.3.1 热流密度3.3.2 倾斜平面移动热源模型3.3.3 热源形状对热源模型的影响3.4 相变潜热3.4.1 扩散型转变3.4.2 非扩散型转变3.4.3 马氏体转变温度的计算3.4.4 相变潜热的计算3.5 换热系数3.6 齿条成形磨削淬硬温度场的数值仿真3.6.1 温度场的数学模型3.6.2 成形磨削淬硬有限元模型3.6.3 成形磨削淬硬温度场仿真结果及讨论3.6.4 成形磨削淬硬层深度计算3.7 本章小结第4章 齿条成形磨削淬硬应力场研究4.1 引言4.2 热弹塑性本构关系4.2.1 弹性区应力应变关系4.2.2 塑性区应力应变关系4.2.3 弹塑性区应力应变关系4.3 热应力场仿真4.3.1 应力场计算的基本假设4.3.2 材料的力学性能参数4.3.3 热应力场有限元模型4.3.4 热应力场仿真结果4.4 热-力耦合应力场仿真4.4.1 热-力耦合有限元模型4.4.2 热-力耦合应力场仿真结果4.5 热-力-相变耦合应力场仿真4.5.1 热-力-相变耦合有限元模型4.5.2 热-力-相变耦合残余应力仿真结果4.6 本章小结第5章 齿条成形磨削淬硬加工参数的确定5.1 引言5.2 齿条成形磨削淬硬磨削余量5.3 磨削受力变形5.4 齿条成形磨削淬硬工艺参数的选择5.4.1 工艺参数的选择方法5.4.2 齿条斜面淬硬层深度与磨削参数关系5.4.3 齿条成形磨削淬硬工艺参数选择实例5.5 本章小结结论参考文献攻读学位期间发表的论文、参加的课题致谢学位论文评阅及答辩情况表
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