（机械设计及理论专业论文）磨削淬硬层残余应力的有限元分析.pdf

摘要 摘要 磨削淬硬是利用磨削加工中产生的磨削热直接对非淬硬钢进行表面淬火的复 合加工新工艺。残余应力作为衡量淬硬层质量的性能指标之一，其研究对于有效 的控制淬硬层质量，促进磨削淬硬工艺的发展与应用具有重要的意义。本文对磨 削淬硬过程中的温度场和应力场进行了理论分析与试验研究。 1 ) 对4 0 c r 钢的磨削力、淬硬层深度及残余应力进行了试验研究，探讨了磨 削用量对磨削力和淬硬层深度的影响。试验得出，切向力和法向力随磨削深度和 进给速度的增大而增大，随砂轮线速度的增大而减小；淬硬层深度随磨削深度和 砂轮线速度的增大而增大，随进给速度的增大而减小；磨削深度对磨削力和淬硬 层深度的影响大于进给速度和砂轮线速度的影响。 采用x 射线衍射法和电解剥层法测得残余应力沿工件深度方向的分布。测量 结果表明，磨削淬硬层存在残余压应力，且在淬硬层深度范围内压应力数值变化 不大；在淬硬层和非淬硬层的交界区域，压应力快速转变为拉应力，在淬硬层以 下存在残余拉应力。 2 ) 运用a n s y s 软件对4 0 c r 钢磨削过程中的温度场进行了数值模拟，得出了 工件的温度场和节点的温度变化历程。通过硬度测量试验得出的淬硬层深度与数 值模拟计算的结果相比较，验证了温度场计算模型具有较好的精度。探讨了磨削 用量对磨削区最高温度的影响，发现磨削区最高温度随磨削深度和砂轮线速度的 增大而增大，随进给速度的增大而减小；磨削深度对磨削区最高温度的影响大于 进给速度和砂轮线速度的影响。 3 ) 编制了热应力和热一力耦合应力场数值计算的a p d l 程序，得到了工件磨 削后的应力状态及应力沿深度方向的分布。计算结果表明，工件表层存在残余拉 应力，随着深度的增加，拉应力数值逐渐减小。在某一深度转化为压应力，再随 着深度增加，压应力数值逐渐减小并趋于零。 4 ) 采用g u i 操作和a p d l 语言相结合的方式，计算了磨削淬硬层热一力一相变 耦合残余应力。残余应力沿深度方向的分布的数值模拟结果与试验结果一致，证 明了理论计算模型的正确性。分析了磨削用量对残余应力的影响，发现随磨削深 度和砂轮线速度增大，表面残余压应力数值相应减小；随进给速度增大，表面残 余压应力数值相应增大。 关键词：磨削淬硬：残余应力；温度场；相变；数值模拟 本课题由国家自然科学基金资助，项目编号：5 0 6 7 5 1 2 1 一i 一 山东大学硕士学位论文 a bs t r a c t t h eg r i n d i n gh a r d e n i n gi san e wi n t e g r a t e dm a c h i n i n gt e c h n o l o g yw h i c hu t i l i z e s g r i n d i n gh e a tt oq u e n c ht h en o n q u e n c h e ds t e e ld i r e c t l y a sa l li n d i c a t o ro fm e a s u r i n g h a r d e n i n gl a y e r sq u a l i t y , t h er e s e a r c ho nr e s i d u a ls t r e s s e si s o fg r e a ti m p o r t a n c et o c o n t r o lt h eh a r d e n i n gl a y e r sq u a l i t ye f f e c t i v e l ya n dt oa d v a n c et h ed e v e l o p m e n ta n d a p p l i c a t i o no f t h et e c h n o l o g y t h i sp a p e ra n a l y z e st e m p e r a t u r ef i e l da n ds t r e s s e sf i e l di n g r i n d i n gu s i n gt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) f i r s t l y , p r o c e e de x p e r i m e n t so fm e a s u r i n gg r i n d i n gf o r c e ，d e p t ho fh a r d e n i n gl a y e r a n dr e s i d u a ls t r e s s e s ，t h e n , a n a l y z et h ei n f l u e n c eo fg r i n d i n gp a r a m e t e r so ng r i n d i n g f o r c ea n dd e p t ho fh a r d e n i n gl a y e r t h er e s u l t ss h o wt h a tt a n g e n t i a lg r i n d i n gf o r c ea n d n o r m a lg r i n d i n gf o r c ei n c r e a s ew h e ng r i n d i n gd e p t ha n dw o r k p i e c es p e e di n c r e a s ea n d d e c r e a s ew h e nw h e e ls p e e di n c r e a s e s d e p t ho fh a r d e n i n gl a y e ri n c r e a s e sw h e ng r i n d i n g d e p t ha n dw h e e ls p e e di n c r e a s ea n dd e c r e a s ew h e nw o r k p i e c es p e e di n c r e a s e s t h e i n f l u e n c eo fg r i n d i n gd e p t ho ng r i n d i n gf o r c ea n dd e p t ho fh a r d e n i n gl a y e ri sm u c h l a r g e rt h a nw o r k p i e c es p e e da n dw h e e ls p e e d t h ec h a n g et r e n do fr e s i d u a ls t r e s s e si nt h ed e p t hd i r e c t i o ni sa c h i e v e du s i n gx - r a y d i f f r a c t i o nm e t h o da n dc o r r o s i o ns t r i p p i n gm e t h o d g r i n d i n gh a r d e n i n gl e a d st o c o m p r e s s i v er e s i d u a ls t r e s s e sn e a rt h es u r f a c ea n dn u m e r i c a lv a l u e f l u c t u a t e sb e t w e e na s m a l le x t e n t t h ec h a n g ef r o mc o m p r e s s i v et ot e n s i l ea tt h em a r t e n s i t e - n o n m a r t e n s i t e i n t e r f a c ei sv e r yr a p i d u n d e rn o n - m a r t e n s i t el a y e r ，t e n s i l er e s i d u a ls t r e s s e se x i s t s e c o n d l y , t h ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e ，a n s y s ，w a su s e dt os i m u l a t et e m p e r a t u r e f i e l d t e m p e r a t u r ef i e l do fw o r k p i e c e sa n de a c hn o d e st e m p e r a t u r ec h a n g ec o u r s ea r e a c h i e v e d c o m p a r i s o no fh a r d e n i n gl a y e rd e p t hb e t w e e ne x p e r i m e n to fm e a s u r i n g r i g i d i t ya n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nv a l i d a t e st h em o d e lo ft e m p e r a t u r ef i e l d d i s c u s st h e i n f l u e n c eo fg r i n d i n gp a r a m e t e r so nm a x i m u mt e m p e r a t u r ev i ac r o s se x p e r i m e n tm e t h o d m a x i m u mt e m p e r a t u r ei n c r e a s e sw h e ng r i n d i n gd e p t ha n dw h e e ls p e e di n c r e a s ea n d d e c r e a s e sw h e nw o r k p i e c es p e e di n c r e a s e s t h ei n f l u e n c eo fg r i n d i n gd e p t ho n m a x i m u mt e m p e r a t u r ei sm u c hl a r g e rt h a nw o r k p i e c es p e e da n dw h e e ls p e e d t h i r d l y ，w o r k o u ta p d l p r o g r a mo fs i m u l a t i n gt h e r m a ls t r e s s e sa n ds t r e s s e si n d u c e d b yc o u p l i n go f t h e r m a la n dm e c h a n i c a ld e f o r m a t i o n r e s i d u a ls t r e s s e sa n dc h a n g et r e n d o fs t r e s s e si nt h ed e p t hd i r e c t i o na r ea c h i e v e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt e n s i l er e s i d u a l s t r e s s e se x i s tn e a rt h es u r f a c e n u m e r i c a lv a l u eo ft e n s i l es t r e s s e sd e c r e a s eg r a d u a l l y w h e nt h ed e p t hi n c r e a s e sa n dt u r nt oc o m p r e s s i v es t r e s s e sa tac e r t a i nd e p t h w h e nt h e i i d e p t hm c t e a s e sm o r e ，n u m e r i c a lv a l u eo fc o m p r e s s i v es t r e s s e sd e c r e a s eg r a d u a l l ya n d a p p r o a c hz e r o l a s t l y , s i m u l a t er e s i d u a ls t r e s s e si n d u c e db y c o u p l i n go ft 1 1 e m l a ld e f o m a t i o l l m e c h a n i c a ld e f o r m a t i o na n d p h a s et r a n s f o r m a t i o nu s i n gg u ia n da p d l c h 锄g en e n d o fs t r e s s e si nt h ed e p t hd i r e c t i o na c h i e v e db yn u m e r i c a ls i m u i a t i o ni s c o n s i s t e n tw i t h e x p e r t i n e n tr e s u l t s ，w h i c hp r o v e st h e v a l i d i t yo ft h et h e o r e t i cc a l c u l a t i o nm o d e l a n a l y z et h ei n f l u e n c eo fg r i n d i n gp a r a m e t e r so nr e s i d u a ls t r e s s e s n 岫e r i c mv 锄u eo f c o m p 陀s s l v cs t r e s s e sd e c r e a s e sw h e ng r i n d i n g d e p t ha n dw h e e ls p e e di n c r e a s ea n d i n c r e a s e sw h e nw o r k p i e c e s p e e di n c r e a s e s 1 ( e y w o r d s ：o r i n d 吨h a r d e n i n g ；r e s i d u a l s t r e s s e s ；t e m p e r a t u r ef i e l d ；p h a s e t r a n s f o r m a t i o n ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i i i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：丛查日期：型壁纠 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或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；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 鳌茎导师签 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 1 1 1 课题研究的背景 磨削加工是一种常见的加工方式，被广泛应用于机械加工领域。但磨削加工 中磨削热的扩散及控制，一直是该领域的重要研究课题，若工艺条件不当，磨削 热将影响已加工工件的表面质量，特别是加工淬硬钢时，还可能引起加工表面的 热损伤。长期以来，国内外研究学者将磨削热视为消极因素，对它的研究主要集 中在如何减小和消除热量方面，这就使磨削产生的大量热量白白浪费，同时磨削 液的排放还会污染环境。 1 9 9 4 年，德国的e b r i n k s m e i e r 和t b r o c k h o f f 首次提出了关于在磨削加工中 利用磨削热对钢件表面进行淬火处理的新工艺，并与1 9 9 6 年【1 , 2 】、1 9 9 9 年【3 】进一步 阐述了这一新工艺在工业中应用的可行性及相关试验研究结果。2 0 0 0 年，澳大利 亚悉尼大学的l c z h a n g 和i z a r u d i 对磨削加工和表面淬硬集成工艺进行了深入 研究。 磨削淬硬是利用磨削加工中产生的热与机械作用直接对非淬硬钢进行表面淬 硬的复合加工新工艺【4 5 】。磨削淬硬技术利用磨削热将工件表层加热到足够高的温 度以上，并保持一定的时间，然后以大于马氏体相变的临界冷却速度冷却，使工 件表层发生马氏体相变，从而提高工件表面的硬度和耐磨性。在磨削加工中利用 磨削热对零件表面进行淬硬处理，有效地避免了磨削热可能对已淬硬表面造成的 损伤，消除了磨削热的消极作用。 磨削淬硬技术的特点可总结为以下几个方面 s , 6 l ： 1 ) 磨削淬硬技术将磨削加工和表面淬火处理集成到一条生产线上完成，能够 极大的缩短生产时间，降低生产成本，具有显著的经济价值和社会效益。 2 ) 因为要利用磨削热量，磨削液会影响热量的产生，所以一般采用干式磨削 或少量磨削液的湿式磨削，可以大量减少磨削液的使用，从而降低对磨削液处理 的成本和磨削液的排放对环境的污染，有利于保护环境。 3 ) 磨削淬硬后工件表面的硬度得到提高，且工件表面淬硬层存在残余压应力， 表面无裂纹。 4 ) 磨削淬硬技术主要淬硬工件的表面，工件心部仍然保持较好的韧性，从而 使工件的机械性能具有耐磨性好、冲击韧性高、疲劳强度高的特点。 山东大学硕七学位论文 由此可见，磨削淬硬技术在磨削加工与金属材料表面热处理领域具有十分广 阔的应用前景，其应用必将带来良好的经济和社会效益。 因磨削淬硬要利用磨削热对工件表面进行淬硬处理，所以一般采用干式磨削。 这就使得大量的热量传入工件，而在磨削过程中常常来不及传入工件深处而聚集 在工件表面层形成局部高温，并在表面层形成极大的温度梯度。热应力、机械应 力和材料相变应力三者耦合，使得淬硬后的表面产生较大的残余应力。磨削淬硬 技术在实际的加工中分两步进行。先对工件进行粗磨，磨除大部分的加工余量， 同时利用磨削热对工件表面进行热处理。然后再进行精磨，使工件的尺寸精度和 表面粗糙度满足要求。若粗磨时产生较大的残余应力，在精磨的过程中，残余应 力进行不断地释放并重新分布，再加上精磨过程新产生的残余应力。这些残余应 力在加工边界条件的约束下，相互综合，相互平衡，对零件的使用性能产生较大 影响。 各国学者相继开展了磨削淬硬技术的研究，虽取得了一定的进展，但仍存在 很多问题有待于进一步探索和解决。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两个难剧7 m ： 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、固态相 变或弹塑性力学三方面来讲，都有各自成熟的理论，但这三种不可逆过程相互耦 合的问题尚缺乏定量的统一理论。 2 ) 在实时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 态测量，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在线进行测量。要测量工件内部的情况，需冷 却到室温后将工件解剖，不但人力、物力、财力浪费很大，所得结果仍有较大的 局限性。 1 1 2 本课题研究的意义 磨削加工表面完整性对加工后零件的使用性能有重要影响。残余应力被认为 是磨削表层的所有特性中具有代表性的参数，可以相当好的评价磨削零件的性能。 磨削表面残余应力的数值、变化梯度等对零件的使用性能将产生较大的影响，综 合国内外相关资料可知，淬硬层残余应力作为衡量淬硬层质量的性能指标之一， 将直接影响零件的强度、疲劳寿命、抗腐蚀性能和结构尺寸稳定性，残余应力是 影响被加工零件尺寸稳定性的核心因素。 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 2 第1 章绪论 的影响，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。残余应力的预测可避免金属的试切加工，将大大提高研究的效率， 降低研究的成本，同时也可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加工参数，为实际生产过程提供参考或指导实际生产。 因此，磨削淬硬层残余应力的研究对于有效的控制淬硬层质量，促进磨削淬 硬工艺的发展与应用具有重要的意义。 1 2 表面残余应力的研究现状 1 2 1 残余应力的计算方法 目前，加工表面残余应力主要有以下三种计算方法，即解析方法、工程估算 方法和数值计算方法1 9 j 。 1 ) 解析方法：适用面很有限，至今能求得精确的解析解的问题尚属少数。对 于弹塑性工件，若考虑磨削过程中材料性能参数随温度的变化，则根本无法求出 解析解。 2 ) 工程估算方法：这种方法精度太差，且由于处理残余应力问题所积累的实 践经验还很少，因此目前所提出的经验公式无论在理论上还是在实用上都缺乏充 分根据。 3 ) 数值计算方法：计算机技术的发展推动了金属磨削加工模拟技术的进步， 计算机模拟技术不仅有强大的计算功能，而且可以显示任意时刻工件内任意截面 上的温度场和应力场，这就为表面残余应力的研究工作提供了一个虚拟现实的环 境。 因此，表面残余应力的数值计算方法是一种较好的方法。有限元法是进行数 值模拟的有利工具，是工程领域中应用最广泛的数值计算方法，它的优点是不仅 适用于复杂的几何形状和边界条件，而且能够处理各种复杂的材料性质问题，例 如材料的非线性、随时间或温度变换的材料性质等问题。目前，较为成熟的大型 通用有限元软件有a n s y s 、m s c m a r c 、a d i n a 、a b q u e s 等。 1 2 2 磨削表面残余应力的研究 磨削淬硬加工的本质就是磨削加工，故磨削表面残余应力的研究亦具有很好 的借鉴意义。 b e r g 、m o n a h a n l 张璧t 1 0 , 1 1 1 对陶瓷磨削后的强度和残余应力进行了研究，并探 3 山东大学硕士学位论文 讨了工艺系统刚度和砂轮对残余应力的影响。田欣利、徐燕申等人【1 2 1 6 】对结构陶 瓷磨削表面残余应力的产生机理进行了研究。用热弹塑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力和移动集中热源 作用下的应力模型，采用逐点移位法处理载荷的模态输入，计算结果与测试结果 相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和控制提供了 理论基础。 任敬心等i l7 j 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 素的关系式，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 力及应力层深度均减小。刘德福，胡华南等【1 8 , n 9 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减小工件表层 的残余拉应力，在一定条件下可以在工件表层获得残余压应力。冯宝富【2 0 】采用弧形 均布热源模型，以弹塑性力学为基础，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的影响。得出，磨削深度和砂轮速度的增加， 残余拉应力的大小和影响深度均增加；采用大进给速度，有助于减少残余应力的 峰值和影响深度；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，可获得较低的磨削残余应力。 h 6 d ih a m d i t 2 1 】提出了一种计算g g r l5 工件平面磨削时产生的残余应力的有限 元热机械复合作用的模型。该模型考虑了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，工件表面温度可达 到奥氏体相变的温度，故而在冷却过程中会发生表面淬硬产生残余压应力。p n m o u l i k t 2 2 l 对磨削过程中的热应力进行了有限元模拟，分析了热源分布、进给速度 及热流密度对残余应力的影响。发现热源分布对残余应力的影响不大；残余拉应 力数值随进给速度增大而减小，随热流密度增大而增大。但他们在数值模拟过程 中没有考虑材料性能参数随温度的变化。 l c z h a n g 和m m a h d i 2 3 - 2 6 1 基于a d i n a 有限元软件分析了合金钢e n 2 3 磨削 过程中各个参数( p e c l e t 数b 、热源分布峰值乙和对流换热系数日) 对淬硬层深 ，r 度、热应力和热一力耦合应力的影响。其中，= 丝是与工件进给速度成正比 4 0 r 关系的量值，l o = 己九代表三角形热源峰值相对位置的量值，指不同的磨削方式 4 第1 章绪论 曼曼! 鼍詈皇曼詈曼鼍皇皇詈皇詈皇量! ! ! ! ! ! 詈詈音量暑鼍暑曼鼍- - 1 - -7 - - = - 皇! 皇暑鼍! ! ! ! ! 鼍! 鼍 和热源分布，日代表不同磨削液的影响。 在计算过程中，采用三角形热源分布，考虑了材料性能参数随温度的变化。 得出如下结论： 1 ) 不考虑工件性能参数随温度的变化会低估了热塑性变形的发生。 2 ) 只对淬硬层深度影响较大，虽然尸e 即进给速度增大可以产生更多的热量， 但降低了单位时间内进入工件的热量，使淬硬层深度和热拉应力减小。 3 ) h 值增大时，表示冷却速度加快，使得淬硬层深度减小。如果磨削区域的 有效冷却因数在某一临界值以上，值增大会减小热残余应力。 4 ) r 、日一定时，口减小，淬硬层深度增加，这是，口减小意味着热源峰值位 置靠近磨削弧区中心，使得相变时间变长，淬硬层深度增加。厶对热应力的影响不 大，尤其是在热流密度较大时。 砧i 和z h a n g 2 。7 】把工件磨削后的表面残余应力作为十个变量的函数，这十个变 量包括工件材料和砂轮特性以及加工参数的变化，提出了一种预测表面磨削引起 的残余应力的模糊逻辑方法。对于给定的磨削条件可较好的预测残余应力。 1 2 3 金属相变应力研究 李辉平【8 】、王同珍【2 8 】等人对淬火过程中的相变问题进行了研究，以v i s u a l f o r t r a n 语言为平台，编写了描述淬火过程中组织转变及应力应变的程序。对相变 的研究以1 v r t 曲线为依据，运用s c h e i l 叠加法则解决t t t 曲线中孕育率及转变量 的叠加问题，使用j o h n s o n 和k o i s t i n e n 等提出的扩散型转变和非扩散型转变模型 计算钢在淬火过程的相变情况，考虑相变的转化物为铁素体、珠光体、贝氏体和 马氏体。 孙华东掣2 9 圳】提出了一种在残余应力数值计算中考虑相变影响的方法一“等 效线膨胀系数法 ，即将相变膨胀转化成等效相变线膨胀系数，与实际线膨胀系数 相加成为等效线膨胀系数代替原来的线膨胀系数，即 a 凹= 口+ a j 口f ( 1 - 1 ) 将g 用于本构关系之中代替原线膨胀系数就能反应相变的影响，其中嘞可 根据计算温度场及相变c c t 曲线得到。通过对4 0 c r 钢圆柱体淬火应力场的分析， 表明此方法是可行的。 1 2 4 磨削淬硬残余应力的研究 对于磨削淬硬残余应力的研究较少，而且大都局限于试验研究。 5 山东大学硕士学位论文 德国学者b r i n k s m e i e r 和b r o c k h o f f 1 l 选用调质态的4 0 c r m n m o 钢在平面磨床上 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 1 所示。由图可见，磨削淬硬层深度约1 0 m m ，整个磨削淬硬层存在压缩 残余应力，最大值接近5 4 0 m p a ；在淬硬层内，残余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 磨削淬硬试验条件【1 】 砂轮 10 a 9 0 q u 3 b 砂轮速度 3 5 m s 工作台进给速度0 5 m m i n 磨削深度 0 1 m m 冷却方式干磨 l l r | | 图1 - 1 残余应力沿淬硬层深度的分布【1 1 江苏大学的刘菊东等【3 2 3 5 1 使用x 3 5 0 a 型x 射线应力测定仪，采用腐蚀剥层 法对4 0 c r 钢顺磨、逆磨及干磨、湿磨时的淬硬层磨削方向的表面残余应力知进行 了测量，得到残余应力沿磨削表面淬硬层深度方向的分布曲线如图1 2 所示。得出 以下两个结论： 1 ) 在磨削用量恒定时，顺磨硬化层的深度以及最大残余压应力均大于逆磨硬 化层，但表面残余压应力较小。与逆磨相比，顺磨时未变形切屑厚度增大，挤压效应 减弱，加之其表面温度较高，使得残余应力向拉伸方向发展。由于机械压应力降低 以及热应力增大的影响超过了相变压应力增大的影响，因此，其表面残余压应力值 降低。 2 ) 在磨削用量恒定时，湿磨时残余应力略大于干磨时的残余应力，但与干磨 相比，湿磨淬硬层深度大约减少了3 0 。湿磨时热应力的降低，使其表面残余应力 值向压缩方向有所发展，则是其表面具有略大残余压应力的主要原因。 6 第1 章绪论 该研究还对不同磨削用量条件下，磨削淬硬层深度方向的残余应力进行了测 量。结果表明，随着砂轮线速度增大、磨削深度增大或工件进给速度减小，磨削 淬硬层表面残余压应力值减小，但淬硬层深度以及应力作用深度增大。 1 0 0 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 a ) 顺磨、逆磨 1 0 0 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 卯0 6 0 0 00 204 0 6 0 81 0 至表面距离z ( 加曲) b ) 干磨、湿磨 1 - 2 淬硬层残余应力分布曲线【3 2 】 l c z h a n g 3 6 3 7 】研究了热塑性变形和相变耦合作用引起的残余应力。通过考虑 工件屈服应力的变化分析相变。首先根据钢的组成成分得出马氏体的硬度，然后 计算马氏体的屈服应力。则工件在相变过程中的瞬时屈服应力由下式得出： ( 仃r ) 材= ( m ) 矗+ ( 1 一m ) j ， ( 1 - 2 ) 其中，( 盯，h 相变过程中工件的瞬时屈服应力 m r 马氏体的屈服应力 m 马氏体的生成量 】，未发生相变前工件的屈服应力 该研究在计算过程中只考虑了屈服应力的变化，材料的其它力学性能参数认 为是不变的。通过研究得出以下结论：相变对残余应力的形成和性质具有重要影 响：当相变发生时，机械作用对残余应力分布的影响很小；如果产生相变，则残 余应力均变为压应力：残余应力在淬硬区和非淬硬区沿磨削方向的分布接近线性， 非淬硬区的残余应力几乎不受表面淬硬和体积变化的影响；当对流换热系数日较 小时，残余应力最大值受冷却过程的影响不大；对于合金钢e n 2 3 当热流密度大于 6 0 m w m 2 时，残余应力最大值受热流密度的影响不大。 1 3 磨削淬硬残余应力研究中存在的主要问题 磨削淬硬过程是一个温度、组织、应力相互影响的高度非线性问题，在理论 上对温度场、应力场耦合求解难度很大。国内外学者对于残余应力的研究，虽取 一7 - 命山苫一胄b r 列熊鼹 岔山iil|i一导一r型张麒 山东大学硕七学位论文 得了一定的进展，但仍存在很多问题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。磨削淬硬过程中最重要 的物理量是温度场，它是进行应力场研究的基础，温度场的计算精度直接影响了 残余应力的准确性。而目前大部分研究没有考虑材料的非线性问题，导致计算结 果与真实情况产生一定的偏差。 2 ) 材料热物性、力学性能参数的不完整也是制约研究发展的关键问题之一。 模拟过程中大多没有考虑材料参数的变化，而是以常数来替代，造成了比较大的 模拟误差。 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，大大增加了问题的复杂性，现有的各种理论计算模型存在这样或那样的 局限性。 1 4 本课题的主要研究内容 本课题在国内外已有研究的基础上，主要进行了以下研究工作： 1 ) 采用正交试验法对4 0 c r 钢进行了磨削加工试验研究，测量了各组加工参 数下的磨削力、淬硬层深度及残余应力，探讨了磨削用量对磨削力和淬硬层深度 的影响。 2 ) 在充分考虑工件材料热物性参数随温度变化的基础上，利用a n s y s 软件 对磨削过程中的温度场进行数值模拟，得出温度场分布的二维等温线图及工件上 节点的温度变化历程。通过硬度测量试验得出的淬硬层深度与计算结果相比较， 对温度场计算模型进行了验证。使用正交试验分析方法探讨了磨削用量对磨削区 最高温度的影响。 3 ) 在热一结构耦合基本理论的基础上，编制了热应力和热一力耦合应力场数值 计算的a p d l 程序，得到了工件磨削后的应力状态以及应力随深度变化的趋势， 对热应力和热一力耦合应力进行了比较。 4 ) 考虑工件表层材料相变，采用g u i 操作和编制a p d l 语言相结合的方式， 对热一力一相变耦合残余应力进行数值模拟，得出残余应力的性质、大小及沿深度 方向的分布。通过对比分析残余应力沿工件深度方向变化的模拟计算值与试验测 量值，对理论计算模型进行验证。对淬硬层残余应力随磨削用量的变化规律进行 了深入地研究。 8 第2 章磨削淬硬试验研究 第2 章磨削淬硬试验研究 2 1 磨削力测量试验 在磨削加工中，磨削力起源于砂轮与工件接触后产生的弹塑性变形以及磨粒 与工件表面之间的摩擦作用，是磨削加工过程中最基本的物理量之一。 磨削力一般分解为互相垂直的三个分力，即沿砂轮切向的切向磨削力r ，沿 砂轮径向的法向磨削力r 以及沿砂轮轴向的轴向磨削力凡。一般磨削中，轴向力 尼较小，可以不计，故图2 1 中未画出。由于砂轮磨粒具有较大的负前角，所以 法向磨削力r 大于切向磨削力局。磨削金属材料时，r e 在1 5 - 3 范围内。 图2 - 1 平面磨削时磨削力的分力 由于磨削加工过程中影响磨削力大小的各个因素错综复杂，而现有的磨削理 论建立在许多假设条件之上，由这些磨削理论推导出来的磨削力计算公式，还不 足以应用到实际生产过程中。所以实际应用的磨削力计算公式大多为经验公式， 其中大部分都是以磨削条件的幂指数函数形式表示的，这些经验公式的获取方法 大致分为两类【3 引。一类方法是：通过试验得到大量试验数据，然后利用回归分析 法建立经验公式，然后根据经验公式进行趋势外推。除了回归分析法外，人工神 经网络也被应用到试验数据的处理中。另一类方法是利用各种数学方法对少量的 试验数据进行分析并推出经验公式。灰色预测法是利用“灰色系统理论，对原 始的试验数据序列进行处理，并按微分方程拟合法建立灰色模型，然后用微分方 程的解实现系统的预测。磨削力经验公式的构建方法简单，仿真精度较高。本课 题采用第一类方法，在试验的基础上，用神经网络法【3 9 】得出其它磨削参数下磨削 力的大小。 9 山东大学硕士学位论文 2 1 1 试验材料及性能数据 本文的试验材料选择工程中应用较多的4 0 c r 合金钢。4 0 c r 钢是机械制造业使 用最广泛的钢种之一，属于低合金中碳结构钢，由于主要在调质状态下使用，也 称为调质钢。4 0 c r 钢调质处理后，具有良好的综合力学性能、良好的淬透性、较 高的疲劳强度，较好的低温冲击韧性，较低的缺口敏感性等优点。常用于加工机 械设备中重要的轴类、连杆螺栓、进气阀和齿轮等部件。 在加工成工件前，4 0 c r 钢预先通过8 3 0 - 8 5 0 油淬，然后在5 0 0 - 6 7 0 回火进行调质处理，4 0 c r 钢的化学成分和调质态的力学性能见表2 1 和表2 2 。 表2 14 0 c r 钢的化学成分 材料化学成分( ) c s im n pc r 4 0 c r 0 3 7 0 4 40 1 7 加3 7o 5 o 8 o 0 1 90 8 1 1 表2 - 24 0 c r 钢调质态的力学性能 4 0 1 抗拉强度屈服强度伸长率断面收缩率冲击韧性布氏硬度 0 6 ( m p a ) g s ( m p a )也( ) t ( ) a x ( k j m 2 ) ( m 口a ) 7 5 0 9 4 05 5 0 8 3 01 4 2 45 5 6 57 5 0 16 5 02 0 7 3 0 2 2 1 2 试验条件 工件尺寸为8 0 1 0 2 0 m m ( 长宽高) ，砂轮直径为4 0 0 m m ，不使用磨削 液，磨削方式为单程切入式顺磨。 磨削试验的三个加工参数：磨削深度、砂轮线速度k 和进给速度。试验 设计采用正交试验的方法，正交试验就是用正交表安排试验方案和进行结果分析。 正交试验既可以大大减小试验次数，又可以获得足够的信息量来确定各因素对试 验指标影响的主次关系。本试验采用l 9 ( 3 4 ) 的正交试验表，其中9 表示正交表有9 行，即要做9 组试验，4 表示最多可安排的因素数，3 表示每个因素有3 个水平【4 1 1 。 具体的试验参数如表2 3 所示。 每组参数重复试验3 4 次，砂轮使用单颗粒金刚石笔修整，修整深度为 0 2 m m ，砂轮的修整进给速度为0 3 m m s 。 1 0 第2 章磨削淬硬试验研究 表2 - 3 正交试验参数设计 正交试验参数 试验号 磨削深度a p ( r a m ) 进给速度v w ( m s )砂轮线速度k ( m s ) l0 0 5o 0 32 5 2o 0 50 0 5 1 5 3o 0 50 0 12 0 40 1o 0 11 5 50 1o 0 52 5 6o 10 0 32 0 7 0 1 50 0 l2 5 80 1 5o 0 31 5 90 1 5o 0 52 0 2 1 3 试验步骤 试验中用y d x m 9 7 型测力仪对磨削力进行测定，该测力仪同一些必要的二 次仪表组合在一起，可以完成磨削力的动静态测试，从而获得金属磨削加工中最 重要的参数之一：三维磨削力。该测力仪刚性好，固有频率高，灵敏度高，线性 和重复性好，滞后小，向间干扰均在5 以下。 _ 醴_ 叁嘲a _ 由t 畦女h h 睁 二互盈堡雹卫囝王盈亘兰j 耍量蕾艺j 匿圈要雪：二二二：二二= 二二二二：二二一：一：篮 图2 - 2 采集程序的流程图 山东大学硕士学位论文 试验中使用的数据采集模块是n i 公司的插卡式数据采集卡p x i 6 2 2 9 ，采用软 件l a b v i e w 编制数据采集程序。程序的流程图和控制面板如图2 2 和2 3 所示。 肚罅帅蚋 脚脚脚 ：，二簋蕊缓麟藏蓊蓊荔蓊瓣蘩霆藕= ：= = = = = = 二。一勰；。= ，。二二弱 图2 - 3 采集程序的控制面板 试验在m k l 7 1 2 0 x 6 型数控强力成形磨床上进行，砂轮采用w a 6 0 l 6 v 型刚玉 砂轮。采用测力仪测量磨削力信号，测力仪输出的电荷信号经过j y 5 0 0 2 型电荷放 大器放大并转化为电压信号，然后由a d 采集卡采集到计算机，最终得到磨削力 的图线及采集数据。磨削力的测量系统示意图如图2 4 所示。 测量磨削力的基本流程为：将工件装夹在夹具上，用螺栓将夹具固定在测力 仪上，再将测力仪固定到磨床工作台上，随工作台做进给运动，于是磨削时工件 所受的磨削力就被施加到测力仪上， 通过电荷放大器放大后，再通过数据 采集设备输入到计算机中进行相应 的分析与处理，然后通过数据采集软 件将具体的磨削力值显示在电脑上。 系统可以实时在线测量出磨削力的 数值，并可以将采集到的磨削力数据 以文本格式保存下来，以便进行相应 的数据处理。在试验过程中，因轴向 磨削力凡较小，故将其忽略不计，只 测量法向磨削力r 和切向磨削力只。 从而使测力仪产生相应的输出信号，该信号 固仁一匦巫 图2 4 磨削力测量系统示意图 1 2 昌_ 囊囊寨蠹甏 子 一 第2 章磨削淬硬试验研究 2 1 4 试验结果及分析 试验测得1 9 组磨削试验的磨削力数值如表2 - 4 所示。 表2 4 试验测量的磨削力 磨削深度进给速度 砂轮线速度切向力法向力 试验号 a p ( m m ) ( m s )( m s )e ( n )r ( n ) 10 0 5o 0 32 5 4 49 5 20 0 5o 0 51 58 41 7 1 30 0 50 0 12 03 98 0 4 o 10 0 l 1 57 51 5 6 5 o 1 0 0 52 59 l2 0 9 60 1o 0 32 09 92 2 3 7o 1 50 0 l2 5 7 51 8 3 8o 1 50 0 31 51 4 23 2 7 9o 1 50 0 52 01 5 03 5 8 表2 5 正交试验分析的因素和指标 因素指标 试验号 磨削深度进给速度 砂轮线速度切向力法向力 口p ( r a i n ) v w ( m s )