（机械设计及理论专业论文）磨削淬硬加工中热效应及残余应力的研究.pdf

学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意一校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 学位论文作者签名：指导教师签名： 年月日 分类号殴5 曼q u d c 鱼2 1 ：窆 硕士学位论文 磨削淬硬加工中热效应及残余应力的研究 t h e r m a le f f e c t sa n dr e s i d u a ls t r e s sd i s t r i b u t i o ni n s u r f a c eh a r d e n i n gg r i n d i n g 华崇略r z 卞口 申请学位级别巫士专业名称扭檀遮i 土厦理途 论文提交日期答辩日期 学位授予单位和日期江苤太堂2 q 里! 生鱼目 答辩委员会主席 评阅人 摘要 摘要 磨削淬硬加工是集磨削加工学与表面淬火理论于一体的切削加工新技术，该技术实现 了磨削加工与表面淬火的集成，减少了热处理设备与人员的投入以及热处理排放物对环境 的污染，因而具有显著的经济和社会效益，已受到国内外专家和学者们的高度关注。 磨削淬硬加工不仅是一个复杂的机械、力和热的复合作用过程，也是被加工材料表层 组织和性能显著变化的过程。本文基于单程磨削淬硬加工试验，运用a n s y s l 2 0 ，对工件 的温度场及应力场进行数值模拟，分析了不同热源模型下温度场和热应力的分布情况。根 据磨削淬硬加工中残余应力的测试试验，从而推到出工件相变应力的分布情况。本文的主 要工作： 1 ) 分析了矩形热源模型、三角形热源模型、倾斜三角形热源、弧形热源模型等四种 不同的热源模型，并对其的数学模型和适用场合进行了比较。分析表明：矩形热源模型和 三角形热源模型比较适合磨削深度较小的普通磨削，倾斜三角形热源模型和和抛物线热源 模型比较适合高效深磨。 2 ) 对有限元软件a n s y s l 2 0 进行二次开发，运用该软件对单程磨削淬硬加工中的温 度场、热应力场进行非线性分析和数值模拟系统揭示出双程磨削淬硬层的形成机理。并将 数值模拟结果与试验结果比较，从而验证了数值模拟结果的有效性。 3 ) 热源接触表面与己加工表面形成的接触角0 越大，已加工表面的温度越低，有利 于减小温度对工件的热损伤。尤其对高效深切磨削加工而言，还简单的把已加工表面和接 触表面看成同一个平面，忽略磨削深度a p 或倾斜角度矽对热源运动和传热条件的影响，显 然是不够精确和严密，会造成较大的误差。因此接触角0 是不能忽略的因素。 4 ) 通过磨削用量对磨削淬硬层残余应力的影响试验，得出了不同磨削用量条件下， 磨削淬硬层残余应力的分布。研究了磨削速度、磨削深度、工件进给速度对工件热应力、 残余应力、相变应力分布的影响。研究表明：在磨削区域内工件热应力主要表现为压应力， 而在非磨削区域内主要表现为拉应力。不管是在磨削区域还是非磨削区域工件热应力都随 着磨削速度的增加而增加。但热拉应力和热压应力的表层深度不会随着磨削用量的变化而 变化。 本论文是国家自然科学基金( n o 5 0 6 7 5 0 8 8 、n o 5 1 0 7 5 1 9 2 7 ) 的重要组成部分，本研 究的开展对于分析磨削淬硬的形成过程、揭示磨削淬硬的形成机理、丰富和发展磨削淬硬 理论、促进磨削淬硬加工技术的实际应用具有重要的理论价值和实践意义。 关键词：磨削淬硬；热源模型；温度场；热应力；残余应力；相变应力 i 江苏人学硕上学位论文：磨削淬硬加工中热效应及残余应力的研究 a b s t r a c t g r i n d h a r d e n i n gi san e wt e c h n i q u eo fc u t t i n gp r o c e s s e st h a tc o m b i n e st h et h e o r i e so f g r i n d i n ga n ds u r f a c eq u e n c h i n g i tn o to n l yi n t e g r a t e sg r i n d i n ga n ds u r f a c eq u e n c h i n g ，b u ta l s o r e d u c e si n v e s t m e n t so ft h e r m a lt r e a t m e n te q u i p m e n ta n dp r o d u c t i o np e o p l e ，a sw e l la st h e e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o nf r o me m i s s i o n s ，s oi th a sr e m a r k a b l ee c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t s a sa r e s u l t ，t h i sn e wt e c h n i q u eh a sr e c e i v e dm u c ha t t e n t i o nf r o me n g i n e e r i n ge x p e r t sa n ds c h o l a r s b o t hh e r ea n da b r o a d g r i n d h a r d e n i n g i sn o to n l yac o m p l e xp r o c e s sc o u p l i n gm e c h a n i c a l ，d y n a m i c a la n d t h e r m a le f f e c t s ，b u tap r o c e s sc o n t a i n i n gd i s t i n c tc h a n g e so fm i c r o s t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c e si n t h es u r f a c el a y e ro ft h eg r i n d e dw o r k p i e c e a c c o r d i n gt ot h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft e m p e r a t u r e f i l e da n dt h e r m a ls t r e s sf i e l do nw o r k p i e c ei na n s y s l 2 0 ，a n a l y z i n gt h ed i s t r i b u t i o no f t e m p e r a t u r ef n e da n dt h e r m a ls t r e s sf i e l du n d e rd i f f e r e n th e a ts o u r c em o d e l s t h et e s tp i l o to ft h e r e s i d u a ls t r e s si ng r i n d i n g ，p u s h i n gt h ed i s t r i b u t i o no fp h a s es t r e s s t h em a j o rc r e a t i v ew o r ka n d r e s e a r c hc o n c l u s i o no ft h i sd i s s e r t a t i o nw e r ea sf o l l o w s ： 1 c r e a t i n gt h ed i f f e r e n th e a ts o u r c e s ，s u c ha sr e c t a n g l eh e a tf l u x ，t r i a n g u l a rh e a tf l u x ， i n c l i n e dt r i a n g u l a rh e a tf l u x ，c i r c u l a rh e a tf l u x a n a l y z i n ga n dc o m p a r i n gi t sm a t h e m a t i c a lm o d e l a n da p p l i c a t i o n a n a l y s i ss h o w st h a tr e c t a n g l eh e a tf l u x ，t r i a n g u l a rh e a tf l u xi ss u i t a b l ef o r g e n e r a lg r i n d i n gw i t hs m a l l e rg r i n d i n gd e p t ha n di n c l i n e dt r i a n g u l a rh e a tf l u x ，c i r c u l a rh e a tf l u x i ss u i t a b l ef o r 2 a n s y s l 2 0f i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ei sr e d e v e l o p e d a n dt h et e m p e r a t u r ef i e l d ，t h e r m a l s t r e s so ft h eo n ep a s s 酊n d h a r d e n i n gi sn u m e r i c a ls i m u l a t e da n dn o n l i n e a ra n a l y z e db yu s i n g t h i sf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e t h ef o r m i n gm e c h a n i s mo fo n ep a s sg r i n d h a r d e n i n gi sr e v e a l e d t h r o u g hc o m p a r i n gt h es i m u l a t i o nr e s u l t s 谢mt e s tr e s u l t s ，t h ee f f e c t i v e n e s so ft h en u m e r i c a l s i m u l a t i o ni nt h i ss t u d yi sv e r i f i e d 3 c o n t a c ta n g e l 0i sa i m p o r t a n tf a c t o rc a nn o tb ei g n o r e d e s p e c i a l l yi nt h ed e e pg r i n d i n g ， c o n t a c ts u r f a c ea n df i n i s h e ds u r f a c ea r eb es e e ns a m es u r f a c e ，i g n o r i n gc o n t a c ta n g e l0i sn o t t r u e t h e r m a ld a m a g eo nt h ef i n i s h e ds u r f a c ew i l lb er e d u c e dw i ml a r g e rc o n t a c ta n g e l 4 s t u d yt h ed i s t r i b u t i o no ft h e r m a ls t r e s s ，r e s i d u a ls t r e s s ，a n dp h a s et r a n s f o r m a t i o ns t r e s sa t m d i f f e r e n tg r i n d i n gs p e e d t h i sw o r ki ss u p p o r t e db yt h ea s s i s t a n c eo ft h en a t i o n a lf o u n d a t i o no fn a t u r a ls d e n c eo f c h i n a ( n o 5 0 6 7 5 0 8 8 ，n o 5 1 0 7 5 1 9 2 7 ) t h er e s e a r c hh a ss i g n i f i c a n tt h e o r e t i c a lv a l u e 锄d p r a c t i c a lm e a n i n gf o ra n a l y z i n gt h e f o r m i n gp r o c e s s ，r e v e a l i n gt h ef o r m i n gm e c h a n j s m e n r i c b j n g a n d d e v e l o p i n g t h e t h e o r i e sa n d f a d l i t a t i n g t h e p r a c t i c a la p p l i c a t i o n0 f g r i n d h a r d e n i n g 1 【e yw o r d s ：h a r d e n i n gg r i n d i n g ；h e a ts o u r c em o d e l ；t e m p e r a t u r ef i e l d ；t h e 肋a 1 s t r c s s ； r e s i d u a ls t r e s s ；p h a s et r a n s f o r m a t i o ns t r e s s 目录 目录 第一章绪论1 1 1 课题研究的背景及其意义1 1 1 1 课题研究的背景1 1 1 2 本课题研究的意义3 1 2 表面残余应力国内外的研究现状。4 1 2 1 国外关于表面残余应力的研究4 1 2 2国内关于表面残余应力的研究5 1 3 磨削淬硬残余应力研究中存在的主要问题6 1 4 本研究的内容及意义7 1 5 本章小结。8 第二章磨削淬硬j n t 的理论基础9 2 1 磨削加工的特点与磨削的加工过程9 2 1 1 磨削加工的特点一9 2 1 2 磨削加工的过程1 0 2 2 磨削加工的中的热力作用1 1 2 2 1 磨削加工对工件的热作用1 1 2 2 2 磨削加工对工件的力作用1 2 2 3 金属材料在磨削过程中的组织转变1 2 2 3 1 奥氏体组织的转变过程1 2 2 3 2 自冷却淬火的特点。1 4 2 4 磨削淬硬层的形成1 5 2 4 1 磨削淬硬层形成的必要条件1 5 2 4 2 磨削淬硬层组织的形成1 5 2 5 磨削加工表面质量。1 7 2 5 1 表面质量的含义。1 7 2 6 磨削淬硬加工的主要影响因素1 8 2 7 本章小结1 8 v 江苏大学硕十：学位论文：磨削淬硬加工中热效心及残余应力的研究 第三章磨削淬硬加工中热源模型的分析与评价。1 9 3 1 单程磨削淬硬加工试验1 9 3 2 磨削区热流量分配模型。1 9 3 2 1 磨削区总热流密度2 0 3 2 2 流入磨屑的热流密度2 1 3 2 3 流入磨削液的热流密度2 1 3 2 4 工件和砂轮分担的热流密度2 1 3 3 磨削加工热源模型2 2 3 3 1 矩形热源模型2 3 3 3 2 三角形热源模型2 4 3 3 3 倾斜三角形热源模型2 4 3 3 4 抛物线热源模型2 5 3 4 热源模型适用场合比较2 6 3 5 本章小结2 7 第四章磨削过程温度场的数值模拟2 9 4 1 基于有限元理论磨削过程的数学建模2 9 4 1 1 有限单元法的基本概念2 9 4 1 2 结构非线性的有限单元法2 9 4 2 磨削淬硬温度场的数值模拟3 2 4 2 1 磨削温度场的有限元模型3 2 4 2 2 有限元软件的f j 处理3 2 4 3 温度场数值模拟结果与分析。3 7 4 3 1 磨削温度场的空间分布3 7 4 3 2 不同热源模型下的温度分布3 8 4 3 3 不同热源模型下不同时间步磨削区温度分布3 8 4 3 4 不同热源模型下磨削区温度沿深度方向的变化3 9 4 3 5 不同热源模型下磨削温度场对时间的响应4 0 4 3 6 接触角0 对磨削温度场的影响。4 1 4 4 本章小结。4 2 第五章磨削过程热应力的形成及数值模拟。4 5 v i 目录 5 1 热结构耦合的基本理论4 5 5 2 热弹塑性理论。4 7 5 2 1 应力场计算的基本假设4 7 5 2 2 热弹塑性应力应变关系4 8 5 3 求解过程的关键问题。5 1 5 3 1 加载问题5 1 5 3 2 边界条件的约束5 1 5 3 3 塑性准则的选择5 1 5 3 4 材料的力学性能参数5 2 5 3 5 加强收敛的方法5 4 5 4 热应力场的数值模拟结果5 4 5 4 1 磨削热应力场的空间分布5 4 5 4 2 工件磨削表面温度对表面热应力的影响5 5 5 4 3 工件表面热应力对时间的响应5 6 5 4 4 工件磨削表面温度对表面剪切应力的影响5 7 5 4 5 磨削速度对工件热应力的影响5 7 5 4 6 磨削深度对工件热应力的影响5 8 5 4 7 工件进给速度对工件热应力的影响5 9 5 5 本章小结6 1 第六章磨削淬硬层残余应力的试验研究6 3 6 1 磨削表面残余应力的基本类型6 3 6 2 磨削表面残余应力产生机理。6 3 6 2 1 机械作用引起的残余应力6 3 6 2 2 热应力引起的残余应力6 4 6 2 3 相变应力引起的残余应力6 5 6 3 残余应力的测量方法6 6 6 4 残余应力的影响因素6 6 6 5 磨削淬硬层残余应力试验6 7 6 5 1 试验条件与测试方法6 7 6 5 2 磨削淬硬层残余应力试验结果分布6 7 v 江苏大学硕士学位论文：磨削淬硬加工中热效应及残余应力的研究 6 7 第七章 7 1 7 2 6 6 1 6 6 2 6 6 3 6 6 4 附录b ：磨削淬硬加工中热应力二次开发a p d l 部分源程序8 7 第一章绪论 第一章绪论 本章摘要：本章对磨削淬硬加工技术背景及本课题研究的意义进行了介绍，阐述了磨削淬 硬层表面残余应力的国内外研究现状，指出了研究中尚存的几个主要问题，最后指明了本 课题研究的主要内容及其意义。 1 1课题研究的背景及其意义 1 1 1 课题研究的背景 随着科学技术的发展和社会的进步，对工业产品的要求越来越高，不仅对机械产品的 零件尺寸和形状精度有较高的要求，而且对零件表面完整性也提出了更高的要求。在现在 制造加工过程中，工件一般要经过磨削加工然后利用表面淬火设备进行表面热处理，经过 热处理后最终形成了高精度表面，从而最终更好的满足工件使用要求。 常用的表面淬火方法虽然很多，但很难集成到产品生产线，影响和制约了加工自动化 程度的提高，且常规的热处理方法能量消耗大以及具有环境污染。而磨削加工与其它加工 方法相比，磨削加工切除单位体积材料时需要很高的能量输入，这些能量几乎全部转化为 热量，其中6 0 - - 一9 5 的热量被传入到零件并聚集在零件的表面层内【。同时，脱落的磨 粒和磨屑从磨削区排出比较困难，磨削液也难以进入到磨削区进行有效的冷却，就造成很 高的磨削温度。严重的情况下，在工件表面产生裂纹、热相变、热残余应力等磨削热损伤， 工件形状发生扭曲变形。另一方面，磨削区的磨削热，不仅影响到工件，也影响到砂轮的 使用寿命。长期以来，虽然众多的学者系统深入地研究了非淬硬钢在磨削加工中的相变现 象，但均把磨削热看作是一个消极的因素，而使用冷却液和选择合适的工艺条件来加以限 制f 刎。 工业发达国家于2 0 世纪9 0 年代中期相继开展了磨削淬硬加工技术的研究，并取得了 若干创新成果。 德国率先开展磨削淬硬加工技术的研究和开发工作，1 9 9 4 年，德国b r e m e n ( 不来梅) 大学e b r i n k s m e i e r 和t b r o c k h o f f 等学者首次了提出了在未淬硬钢质零件磨削加工中利用 热一机械复合作用直接对其进行表面淬火一磨削淬硬工艺嗍。并在1 9 9 6 年 9 1 ，1 9 9 9 年【1 0 l 进一步阐述了这一新工艺在工业应用中的可行性和试验结果。2 0 0 0 年，澳大利亚的z a r u d i 】 江苏大学硕十学位论文：磨削淬硬加t 中热效心及残余应力的研究 和z h a n g 1 1 l 在平面磨床上对调质态a i s l 4 1 4 0 钢进行了磨削淬硬试验研究，对磨削加工和 表面淬硬集成工艺进行进一步的探讨。随后z a r u d i ，l z 【1 2 1 等人利用坐标网格法、j a e g e r 磨削热模型及c a l m 相变理论，对某一特定工艺条件下的磨削淬硬组织沿淬硬层深度方向 的变化进行了模拟，模拟结果和该工艺条件下的磨削淬硬试验结果比较吻合。 磨削淬硬是利用磨削过程中产生的热、机械复合作用直接对未淬硬钢质零件进行表面 淬火的新工艺【1 3 l 。因此，其形成机理及应用方面与其它工艺相比有其自身的特点。 ( 1 ) 磨削淬硬是短时间内奥氏体化的工件表层组织向马氏体转变的自淬火现象。 ( 2 ) 由于磨削淬硬过程中热，力和材料特性的共同作用，使得磨削淬硬层组织存在残 余压应力。 d ) 由于磨削淬硬是磨削加工和表面淬火相集成的工艺，因而具有显著的社会经济效 益和环境效益。如图1 - 1 所示，它能明显缩短产品的生产过程链和生产周期，减少专用热 处理设备的投资及其排放物处理费用。 b ) 磨削淬硬加l 工艺流程 图1 - 1 传统加工工艺流程和引入磨削淬硬加工之后的新f t 艺流程的比较f 9 】 f i g u r e l - 1c o m p a r i s o nb e t w e e nt r a d i t i o n a lp r o c e s sa n dh a r d e ng r i n d i n g 综上所述，磨削淬硬可以替代感应淬火等表面热处理工艺，减少零件的加工 序、热 处理设备及人员等的投入，减少资源与能源的消耗以及环境的污染，实现磨削工艺的绿色 性。因而在磨削加工与金属材料表面改性领域具有十分广阔的应用前景，其应用必将带来 良好的经济和社会效益。 因磨削淬硬利用的是磨削热对工件表面进行的淬硬处理，一般采用的是干式磨削，这 样会使大量的热量传入工件，因而在工件的表层形成局部的高温，形成极大的温度梯度。 2 第一章：绪论 磨削过程中，由于机械应力、热应力、相变应力的综合作用，在工件的表层形成了很大的 磨削应力，加工结束后，一部分应力仍然保留在工件的表层内，从而形成了磨削残余应力。 各国学者相继展开了磨削淬硬技术的研究，取得了一定的进展，但仍存在很多问题有 待进一步的探索和解决。磨削淬硬层残余应力的预测预报尚未实现，残余应力的分析具有 以下的难点【1 4 1 5 l ： 1 ) 磨削淬硬加工不仅涉及到磨削热，磨削力的产生及其对工件的作用，而且涉及到 工件材料表面在磨削过程中的组织与性能的变化。虽然单就传热、固太相变或弹塑性力学 三方面来讲，都有各自成熟的理论，但这种不可逆过程相互耦合的问题尚缺乏定量的统一 理论。 2 ) 在试验检测各物理量的变化方面，也存在一定的难度。温度场虽然可以动态的检 测，但热电偶的插入会对工件造成破坏，而且热电偶本身也影响了温度场的分布，应力分 布难以在磨削过程中进行线性测量。需测量内部的情况，需冷却到室温后工件解剖，不但 人力、物力、财力浪费很大，所得的结果具有很大的局限性。 1 1 2 本课题研究的意义 磨削加工一般作为终工序，其任务就是保证产品零件能达到图样上所要求的精度和表 面质量。任何机械加工方法都不能获得理想的表面，它总会存在一定程度的微观不平度、 加工中冷作硬化及表层残留应力和金相组织的变化。实现零件高精度、低表面粗糙度值、 低残余应力、低硬化层的表面质量要求，这是现代磨削技术的重要发展趋势。而表面残余 应力作为评价磨削加工表面完整性的性能指标之一，直接影响工件的耐磨性、耐疲劳性、 耐腐蚀性及其配合精度和配合性质。 随着现代科学技术的发展和工程实际的需要，为了调整和消除残余应力带来的不利影 响，人们已经不满足于只获得磨削淬硬加工后残余应力的信息，而是希望预测残余应力。 残余应力的预测可以避免金属的试切加工，大大提高研究的效率，降低研究成本，同时弥 补残余应力检测手段的不足。根据预测的结果，可以找到适合工艺要求的参数，为实际生 产过程提供参考或指导实际的生产。 因此，磨削淬硬层残余应力的研究对于提高磨削表面加工表面的质量，促进磨削淬硬 工艺发展与应用具有重要的意义。 3 江苏大学硕十学位论文：磨削淬硬加t 中热效虑及残余应力的研究 1 2 表面残余应力国内外的研究现状 t 1 2 1国外关于表面残余应力的研究 德国学者e b r i n k s m e i e r 和t b r o c k h o f f l 9 1 选用了调质态的4 0 c r m n m o 钢在磨床上进行 了试验，试验条件如表1 - 1 所示。通过x 射线应力仪测得磨削淬硬层残余应力如图1 2 所 示。由图所示，磨削淬硬层深度约1 0 m m ，整个磨削淬硬层压缩残余应力。最大值接近 5 4 0 m p a ；在淬硬层内，残余应压应力的值比较稳定，当深度大于淬硬层深度时，随着深度 的增加，残余压应力逐渐减小，在淬硬层以下存在拉伸残余应力。 表1 - 1 磨削淬硬试验 t a b l e l - 1g r i n d i n gh a r d e n i n ge x p e r i m e n t 砂轮1 0 a 9 0 q u 3 b 砂轮速度3 5 m s 工件进给速度0 5 m m i n 磨削深度 0 1 m m 冷却方式 干磨 4 0 0 o2 0 0 膏 龟 言 o l r l 翅- 2 0 c j r 镁 l 鼷o l ，i t 五 0 e 2 0 40 60 。8 l01 2 i 牢硬层深度z ( m m ) 图1 - 2 残余应力沿淬硬层深度的分布 f i g u r e1 - 2d i s t r i b u t i o no fr e s i d u a ls t r e s sa l o n gt h ed e p t ho ft h eg r i n d i n gh l c z h a n g 和m m a h d i t 5 电1 6 1 7 】基于有限元软件a d i n a 分析了合金 个参数与磨削表面热应力，磨削表面残余应力的关系。在计算的过程l 料性能参数的非线性，考虑了工件表面与空气的对流下。得出以下结 1 ) 不考虑工件性能参数随温度变化会低估了工件热塑性变形，l 热残余应力工件材料性能参数随温度变化是不能忽略的。 2 ) p e c l e t 数p e 对磨削淬硬层的深度影响较大，增大p e 可以产生! 了单位时间内进入工件的热量，使淬硬层深度和热应力减小：对流换j 4 过程各 工件材 的预测 但降低 时，表 第一章：绪论 示冷却速度加快，是淬硬层的深度减小。若磨削区域的有效冷却因数在某一临界值上，h 增大会减小残余应力；p e ，h 一定时热源分布峰值l a 减小，淬硬层深度增加，l a 减小意味 着热源的峰值靠近磨削弧区中心，使得相变时问变长，淬硬层深度增加。l a 对热应力影响 不大，尤其热流密度较大时。 3 ) 磨削加工过程中的水平方向的磨削力及水平方向磨削力和竖直方向磨削力的比值u 对表面残余应力都有重要的影响：工件表层残余应力全部转化成残余拉应力这只与工件发 生金属相变有关，而与冷却条件、磨削方式没有关系；不管是在马氏体区还是非马氏体区 在磨削方向上残余应力的分布几乎是线性，但最大残余应力的位置和马氏体的深度及机械 力的最大值有关。 法国a b r o s s e ，h h a m d i ，j m b e r g h e a u 1 8 - 1 9 】等学者基于有限元软件s y s w e l d ，对a i s i 5 2 1 0 0 钢表面残余应力进行了仿真和试验研究，提出了g c a l 5 工件平面磨削时产生残余应 力的有限元热机械复合作用的模型。该模型考虑以热源形式作用于工件表面的能量，它是 砂轮线速度、进给速度和磨削深度的函数。此模型适用于砂轮线速度小于1 2 0 m s 的常规磨 削。模拟的计算表明，在这种磨削条件下产生残余拉应力，并且砂轮线速度增加时，磨削 区的温度升高。当砂轮线速度大于1 2 0 m s 时，工件表面的温度可以达到奥氏体相变的温度， 故而在冷却的过程中会有发生表面淬硬产生残余压应力。 美国p u r d u e ( 普度) 大学p n m o u l i k , h t yy a n g ，s c h a n d r a s e k a r 【捌等学者对a i s i 5 2 1 0 0 钢进行了仿真试验研究，充分考虑了工件材料性能参数随温度变化及工件与空气的 对流，通过有限元的仿真结果可知工件表面的残余应力主要是拉应力且其大小随热流密度 的增大而增大。 此外韩国学者y o u n g s i kc h o i l 2 1 l 等也对磨削表面残余应力进行了一系列的研究。 1 2 2 国内关于表面残余应力的研究 胡忠辉，袁哲俊【2 2 】等人对磨削残余应力产生机理的假说进行了归纳分析，在此基础上， 对磨削过程和法向磨削力对磨削残余应力的影响进行了试验研究，详细探讨了磨削残余应 力的产生机理，提出了磨削过程中的约束越多加工残余应力越大及砂轮材料扩散到工件表 面层可以提高加工加工残余压应力的新观点，并对残余应力的平衡机理给出了新的解释。 任敬心，孟庆国【纠在超高强度钢、高温合金和钛合金等难磨材料磨削表面残余应力的 研究方面做了大量的工作，利用回归分析方法得出磨削表面残余应力与磨削因素的关系， 得出结论：砂轮速度和磨削深度增大，磨削残余应力及应力层深度均增大；进给速度对磨 5 江苏大学硕十学位论文：磨削淬硬加工中热效应及残余应力的研究 削残余应力的影响较小，且随进给速度增大，磨削残余应力及应力层深度减小。刘德福， 胡华南等 2 4 筠1 分析了在非预应力磨削及预拉应力磨削条件下工件表层残余应力的分布情 况，发现预拉应力磨削可以减小工件表层的残余拉应力，在一定的条件下可以在工件的表 层形成残余压应力。冯宝富【御采用弧形均布热源，以弹性力学为基础，考虑深磨条件下耦 合磨削热和磨削力作用，建立了深切磨削残余应力的有限元模型。分析讨论了磨削加工过 程中残余应力的时间历程及磨削用量对残余应力分布影响；采用大进给速度，有助于减少 残余应力峰值和；采用低的砂轮速度，较小的磨削深度和较大的进给速度的合理搭配，可 以获得较低的残余应力。 张壁【”，2 8 】对陶瓷磨削后强度和残余应力进行了研究并探讨工艺系统刚度和砂轮对残余 应力的影响。田欣利，徐燕申等学者【2 9 。3 3 】对结构陶瓷磨削表面残余应力的产生机理进行研 究。用热弹塑性的有限元方法计算工程陶瓷磨削表面残余应力的产生机理进行了研究。用 热弹性有限元方法计算工程陶瓷材料表面磨削残余应力，将力学问题简化为求解在移动集 中热源作用模型下的应力模型，采用逐点位移法处理载荷的模态输入，计算结果与测试结 果比较具有较好的计算精度，从而为实现陶瓷磨削残余应力的预测提供了理论基础。 集美大学刘菊东教授【3 4 1 以平面磨削淬硬加工试验为基础，利用x 射线应力测定仪对 4 0 c r 钢磨削淬硬层残余应力进行了研究。结果表明，磨削淬硬层表面均存在残余应力，次 表层出现最大残余应力。随着磨削深度的提高、磨削深度的增加或工件进给速度的降低， 磨削淬硬层表面残余应力值相应减小，但最大残余压应力和应力作用深度相应增加。采用 单程干式磨削淬硬可增加淬硬层的最大残余应力及应力作用深度。 刘月明，巩亚东等1 3 5 】研究了超高速点磨削中切削速度对工件残余应力的影响；薛进学， 赵波等i 蚓对超声高度研磨陶瓷表面残余应力的特性进行了研究；上海交通大学的张雪萍， 王和平等【3 7 】基于有限元软件d e f o r m 2 d ，建立了具有负i ； 角特征的单颗粒热力耦合有限元 模型。仿真模拟了磨粒磨削工件时的温度场合应力场分布，分析了工件某点应力在磨削过 程中的变化情况及改点最终形成的残余应力。 1 3 磨削淬硬残余应力研究中存在的主要问题 磨削淬硬的过程是一个温度、组织、应力相互影响高度非线性的问题，在理论上对温 度场应力场耦合的求解难度很大，国内外学者对于残余应力的研究虽取得一定的进展，但 仍存在很多问题需要有待于进一步探索和解决。 1 ) 磨削淬硬温度场的数值模拟精度有待进一步提高。温度场是进行应力场研究的基 6 第一章：绪论 础，温度场的精度直接影响了残余应力的准确性。目前大部分的研究由于建模存在一系列 的假设条件，且没考虑材料的非线性问题，导致结果与真实的情况存在一定的偏差。 2 ) 材料力学性能参数的不完整性，尤其是高温状态时的力学参数在手册上难以查询， 只能通过软件的迭代法算出高温时的力学参数，这样会造成一定的模拟偏差。 3 ) 对磨削淬硬层残余应力的数值模拟，涉及磨削热、磨削力和材料相变的耦合计算， 它们之间的相互影响增大了问题的复杂性。 4 ) 尚未对磨削淬硬层残余应力的研究进行多因素的优化。目前，国内外均采用单因 素的试验法来研究不同磨削条件对淬硬层组织及性能的影响。由于影响的因素较多，仅靠 单独控制某个因素而要获得满意的磨削淬硬层质量是很困难的。 1 4 本研究的内容及意义 1 ) 建立了矩形热源模型、三角形热源模型、倾斜三角形热源模型、抛物线热源模型 等四种不同的磨削热源理论模型，讨论了四种热源模型的数学模型及对其适用场合进行了 比较。 2 ) 根据单程磨削淬硬加工实验，分别采用矩形热源模型、三角形热源模型、倾斜三 角形热源模型、抛物线热源模型等四种不同的磨削热源理论模型，基于有限元软件a n s y s 模拟了单程磨削淬硬加工的过程。系统讨论了各种热源模型作用下磨削淬硬加工过程的区 别及其适用场合。 3 ) 在热结构耦合基本理论的基础上，编制了热应力数值模拟计算的a p d l 程序，通 过a n s y s 对a p d l 语言的加载得到了工件磨削后的热应力状态及应力沿表面方向和深度 方向变化的趋势。还研究了工件表面热应力与工件表面温度的关系、工件表面热应力对时 间的响应及磨削速度对工件热应力的影响。 4 ) 根据磨削淬硬加工中残余应力的测试试验得出磨削淬硬层表面残余应力的分布， 由于残余应力是机械应力、热应力、相变应力的综合作用的结果，进而推导出磨削淬硬层 表面相变应力的分布，并研究了磨削用量量对磨削淬硬层表面相变应力的分布的影响。 图1 3 为本论文的主题框架 本论文是国家自然科学基金( n o 5 0 6 7 5 0 8 8 ) 和江苏省自然科学基金( b k 2 0 0 6 0 7 7 ) ， 重要组成部分，本研究的开展对于分析磨削淬硬的形成过程、揭示磨削淬硬的形成机理、 丰富和发展磨削淬硬理论、促进磨削淬硬加工技术的实际应用具有重要的理论价值和实践 意义。 7 江苏大学硕士学位论文：磨削淬硬加工中热效应及残余应力的研究 第二章磨削汴硬加工的理论基础 第二章磨削淬硬加工的理论基础 本章摘要：磨削淬硬是利用磨削加工中产生的热、力和机械的复合作用直接对钢质零件进 行表面淬火处理，集磨削加工与表面淬火于一体的加工新技术。因此它不仅涉及到磨削热 与磨削力，而且涉及到工件材料的组织与性能变化。本章对磨削淬硬的相关基础理论知识 进行归纳和阐述。 2 1磨削加工的特点与磨削的加工过程 磨削加工是用硬质磨粒作为切削工具进行的切削加工过程的统称。通常所说的“磨削 主要是指用砂轮等固结磨具对工件表面进行加工的过程【3 8 捌。 2 1 1 磨削加工的特点 磨削加工与车削、铣削等通常的切削加工相比，有如下特点： 1 ) 砂轮表面上磨刃形状及分布处于随机状态 砂轮表面上每颗磨粒的形状很不规则，在磨削加工中参加切削工作的磨粒的形状是不 确定的，且它在砂轮表面上的分布是随机的。同时，由于磨粒在砂轮外圆周面上并不是等 高地分布在同一外圆周上，因而砂轮表面上同时参加切削的有效磨粒数也是不确定的。 2 ) 砂轮上磨刃前角为负值，形成负前角切削 砂轮磨削时的磨刃参数包括：磨刃的切削角和i j 角，磨刃顶尖角，刃口钝园半径以及 参加工作的有效磨粒数，它们都影响着砂轮的锋锐程度和切削能力。统计结果说明，磨刃 上的前角为负值，且其绝对值远大于一般切削刀具所用的负前角。 3 ) 切屑尺寸很小，单位磨削力很大 一般来说，砂轮磨削时，磨粒的切削厚度只有数岬，由于尺寸效应的原因，这样微小 的切削厚度会使单位切削力非常大，比能很高，对加工表面层的影响也比较大。 4 ) 磨削速度和磨削温度很高 砂轮磨削时，一般的磨削速度为v ，= 2 0 0 0m m i n 3 0 0 0m r a i n ，它约为切削加工的1 0 倍。同时，由于磨粒与工件的接触时间很短，在短时间内要切去切屑，将使磨粒和工件间 产生强烈的摩擦，并产生剧烈的塑性变形，从而产生大量的磨削热，使磨削区形成高温。 9 江苏人学硕 ：学位论文：磨削淬硬加工中热效应及残余应力的研究 5 ) 砂轮有自锐作用 在切削加工中，如果刀具磨损了，切削就无法正常地进行下，刀具必须重新磨砺。磨 削的情况则不同，因为砂轮上的磨刃是由硬质磨粒的尖端形成的，在磨削力和热冲击的作 用下，磨钝的磨粒发生局部磨粒微破碎而形成新的锋刃，或发生磨粒脱落而露出新的磨粒 锋刃。这种重新获得锋锐刀刃的作用称为自锐作用。 2 1 2 磨削加工的过程 磨削是由磨床、砂轮、工件形成的一种切削加工工艺系统。而磨削过程是由处于砂轮 和工件接触区域的许多磨粒在挤压力作用下不断同时地