磨削加工表面强化层形成与控制机理研究

论文摘要

磨削加工是利用磨料磨具作为刀具对工件表面进行切削加工的方法,可以获得符合一定要求的零件表面质量。磨削过程中伴随有机械作用力,使工件材料在高应变率条件下发生塑性变形,最终在工件表层存有残余应力。同时磨削过程中产生大量的热,有时超过工件材料的相变温度,可以利用磨削热对工件表层进行热处理,获得一定厚度的变质层。随着磨削速度的提高,磨粒对工件材料的冲击作用将更加显著。本文基于普通磨削加工过程,研究磨削层的应变率和温度对零件硬度和残余应力的影响机制。（1）通过理论研究,论述磨削过程中磨粒对工件材料的作用特征是一种冲击的力学行为。考察应变率对磨削力、硬度和残余应力的影响机制。（2）在卧轴矩台平面磨床上对45钢进行磨削加工实验,用金相电子显微镜观察强化层的金相组织,用硬度仪与应变仪测试了磨削后工件表层硬度和残余应力,并探讨磨削深度和工件进给速度对强化层硬度和残余应力的影响。金相观察结果发现,磨削强化层组织晶粒变细,位错密度增加,铁素体中有碳化物析出。试验研究发现,在一般磨削条件下,随着磨削深度的增大或者工件进给速度的减小,表面残余应力有减小的趋势。（3）以ANSYS为分析工具,对磨削温度场进行数值模拟,得出了磨削过程中温度场的分布情况和沿表层不同深度节点温度随时间的变化曲线。对不同磨削深度和进给速度条件下进行温度场仿真,对比不同磨削参数对节点温度的影响。根据工件材料45钢的相变条件和表层节点温度来预测强化层厚度,并与试验测得数据相比较,验证了温度场模拟结果的正确性。（4）用有限元ANSYS软件对磨削45钢进行热-力耦合数值模拟,得出残余应力沿工件表层深度的分布。通过比较模拟出的残余应力结果和试验测得的数据,两者有较好的一致性,验证了残余应力模拟结果的正确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 磨削表面层强化国内外研究现状
• 1.1.1 强化层显微组织的研究
• 1.1.2 强化层显微硬度的研究
• 1.1.3 强化层残余应力的研究现状
• 1.2 本课题研究的内容
• 1.3 本课题的来源和意义
• 1.3.1 课题的来源
• 1.3.2 课题的意义
• 第2章 磨削加工过程理论分析
• 2.1 磨削过程基本参数
• 2.1.1 磨削的物理模型
• 2.1.2 磨削过程的三个阶段
• 2.1.3 砂轮的有效磨刃数
• 2.1.4 磨粒磨削的磨屑厚度
• 2.1.5 砂轮的当量直径
• 2.1.6 磨削比
• 2.1.7 被磨材料的磨除参数
• 2.1.8 磨削力
• 2.1.9 磨削热
• 2.1.10 接触弧长
• 2.2 磨削过程冲击特性分析
• 2.2.1 磨粒与工件的碰撞时间
• 2.2.2 磨削区应变率
• 2.3 本章小结
• 第3章 磨削强化对零件表面完整性的影响机理
• 3.1 磨削工件表面层残余应力
• 3.1.1 表面层残余应力产生的原因
• 3.1.2 磨削强化层残余应力的数学模型
• 3.2 磨削加工表层硬度的形成与影响机制
• 3.2.1 加工硬化的指标
• 3.2.2 磨削加工表面层加工硬化的影响因素
• 3.2.3 磨粒冲击作用下强化层厚度
• 3.3 金属的微观组织和力学关系
• 3.4 本章小结
• 第4章 磨削强化的实验研究
• 4.1 实验设备
• 4.2 实验方案
• 4.3 磨削实验结果与分析
• 4.3.1 金相组织观察结果与分析
• 4.3.2 工件硬度实验结果与分析
• 4.3.3 残余应力实验与分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 磨削加工强化的有限元分析
• 5.1 温度场的有限元仿真
• 5.1.1 磨削区热源分布模型
• 5.1.2 温度场的有限元模型
• 5.1.3 矩形分布移动热源的加载
• 5.1.4 温度场仿真结果与讨论
• 5.1.5 温度场的预测
• 5.2 残余应力的有限元仿真
• 5.2.1 建立热-力耦合分析模型
• 5.2.2 残余应力有限元模拟结果与讨论
• 5.2.3 残余应力的预测
• 5.3 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢