平面磨削温度场的研究

论文摘要

磨削是加工制造领域尤其是精密加工领域中的一种重要加工方法,但磨削过程对于去除单位体积材料需要极高的能量输入,这些能量几乎全部转化为热量并集中在磨削区内,导致磨削区的温度急剧升高,且在工件表层形成极大的温度梯度。如果磨削温度超过一定的临界值就会引起工件表面热损伤,如表面烧伤、材料氧化、残余应力和裂纹等,从而影响零件的使用寿命和工作性能,同时还会影响砂轮的使用寿命。因此对磨削温度的研究具有重要的理论意义和实际价值。本文采用理论推导、实验分析和数值仿真等手段,对平面磨削温度场进行了研究,所研究的主要内容如下:（1）对磨削温度场的理论研究。探讨了不同热源分布模型对工件温度分布、工件表面温度的变化速度和最高磨削温度所在位置等方面的影响,分析了磨削热的产生和磨削区热量的传递途径,并介绍了三种典型的热量分配比例理论模型。（2）对磨削温度进行了系统的实验研究。根据实验结果,深入分析了磨削参数、磨削方式和砂轮性质等因素对磨削温度的影响。磨削温度会随着磨削深度、砂轮速度和工件速度的增大而升高,对磨削温度影响最大的磨削参数是切深,其次是工件速度,而砂轮速度的影响最小;顺磨与逆磨时切屑的形成机理和变形等不同,导致顺磨与逆磨的热效应存在较大差异,因此顺磨时磨削区温度较高;CBN磨粒导热性能比氧化铝磨粒好,从而CBN砂轮磨削后工件的表面温度较低。（3）对砂轮-工件接触长度进行了深入的理论分析和实验研究。研究发现,实际接触长度大于几何接触长度,且当切深较小、工件速度较大时,二者的差距更大;接触长度随着切深、工件速度、砂轮直径的增大而增大;当磨削温度升高时,工件变软,使得接触长度增大;此外随着磨削力的增大,砂轮、工件和磨粒的变形增大,从而接触长度增大。（4）对磨削温度场的三维数值仿真研究。考虑工件材料物理性能与温度的非线性关系,采用三角形热源模型,对一些典型的磨削工况进行了三维有限元仿真,获得了工件的温度分布情况,并分析了热源分布模型、磨削液和工件材料的变物性等因素对磨削温度场的影响;研究结果表明有限元仿真值与实验测量值吻合较好,并利用表面粗糙度仪探测了工件轮廓,验证了湿磨时磨削温度沿工件宽度方向的变化规律。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图索引
• 附表索引
• 主要符号索引
• 第1章 绪论
• 1.1 研究的背景和意义
• 1.2 磨削温度研究的历史与现状
• 1.2.1 磨削温度的理论研究
• 1.2.2 磨削温度的测量技术
• 1.2.3 磨削温度场的计算机仿真技术
• 1.3 课题来源和研究内容
• 1.4 本章小结
• 第2章 磨削温度场的理论解析
• 2.1 传热学基础
• 2.1.1 传热的基本方式
• 2.1.2 热微分方程的建立与三类边界条件
• 2.1.3 温度场求解方法
• 2.2 磨削温度
• 2.2.1 磨削热的产生和传散机理
• 2.2.2 磨削温度的分类
• 2.3 磨削热源分布模型的研究
• 2.3.1 磨削热源分布模型
• 2.3.2 热源分布模型对温度场的影响
• 2.4 磨削温度场的理论解析研究
• 2.4.1 传热学模型
• 2.4.2 瞬时点热源的温度场
• 2.4.3 磨削温度理论解析
• 2.5 磨削过程中热量分配比例研究
• 2.5.1 磨粒点热量分配比例模型
• 2.5.2 砂轮热量分配比例模型
• 2.5.3 复合模型
• 2.6 本章小结
• 第3章 平面磨削温度场研究的实验方案
• 3.1 实验材料及其性能参数
• 3.2 实验系统及其设备
• 3.2.1 超精密平面磨床
• 3.2.2 砂轮的选择及其修整
• 3.2.3 磨削力信号的采集
• 3.3 磨削温度的测量
• 3.3.1 热电偶测温原理
• 3.3.2 热电偶测温系统
• 3.4 实验方案设计
• 3.5 本章小结
• 第4章 磨削温度场的实验结果及其分析
• 4.1 实验数据处理方法
• 4.2 磨削力的实验研究
• 4.2.1 磨削力
• 4.2.2 磨削力实验结果与分析
• 4.3 平面磨削温度场的实验研究
• 4.3.1 磨削参数对磨削温度的影响
• 4.3.2 磨削温度与磨削方式的关系
• 4.3.3 砂轮磨粒材料性质对磨削温度的影响
• 4.3.4 工件材料对磨削温度的影响
• 4.4 本章小结
• 第5章 平面磨削接触长度的研究
• 5.1 接触长度的定义
• 5.2 接触长度的理论计算
• 5.3 接触长度的测量方法
• 5.4 接触长度的实验结果及其分析
• 5.4.1 磨削参数对接触长度的影响
• 5.4.2 砂轮属性对接触长度的影响
• 5.4.3 工件材料对接触长度的影响
• 5.4.4 磨削方式对接触长度的影响
• 5.4.5 磨削力对接触长度的影响
• 5.5 磨削温度与接触长度的相互关系
• 5.6 本章小结
• 第6章 平面磨削温度场有限元仿真及其分析
• 6.1 有限元法在磨削温度场中的应用
• 6.2 磨削温度场的有限元模型
• 6.2.1 温度场的平衡方程
• 6.2.2 瞬态温度场的有限元模型
• 6.2.3 干磨温度场的有限元模型
• 6.3 平面磨削温度场的数值仿真
• 6.3.1 磨削温度场边界条件的确定
• 6.3.2 磨削区有限元模型的建立
• 6.3.3 平面磨削温度场的加载和求解
• 6.4 磨削温度场仿真结果与分析
• 6.4.1 磨削温度场仿真结果
• 6.4.2 磨削温度场影响因素分析
• 6.4.3 实验验证
• 6.5 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 附录 A 攻读硕士学位期间所发表的学术论文目录
• 致谢