45钢磨削淬硬实验研究及其数值模拟

1、学校编码10390分类号TG580.64学号2010730006密 级硕 士 学 位 论 文45 钢磨削淬硬实验研究及其数值模拟指 导 教 师： 刘菊东 教授作 者 姓 名：袁威申 请 学位级别：硕士专 业 名 称：机械设计及理论论 文 提交日期：2013 年 4 月 12 日论 文 答辩日期：2013 年 6 月 11 日学 位 授予单位：集美大学学 位 授予日期：2013 年 月日答辩委员会主席：李钟慎 教授论 文 评 阅 人：姚 斌 教授李钟慎 教授皮 钧 教授硕 士 学 位 论 文45 钢磨削淬硬实验研究及其数值模拟Experimental Study on Grinding-Hard

2、ened Layer and its Numerical Simulation of 45 Steel学 科门 类：工学作 者姓 名：袁威指 导教 师：刘菊东 教授专 业名 称：机械设计及理论学位授予单位：集美大学论文答辩日期：2013 年 6 月 11 日学术诚信声明兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立进行的研究工作及取得的研究成果。除文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。本人依法享有和承担由此论文产生的权利和责任。声明人(签名)：时 间：保护知识产权声明本人完全了解集美大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件和磁

3、盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意集美大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。作 者(签名)：导 师(签名)：时 间：45 钢磨削淬硬实验研究及其数值模拟摘要随着社会的发展，现代制造业也向着节能、高效、集成等方向发展；人们在追求生产效率的同时，开始关注如何改善生产环境，降低劳动强度；为此，需要采用新的生产工艺，提高生产集成度，减少工作量。磨削淬硬加工技术是利用磨削加工过程中产生的磨削热直接对工件表面进行淬火的新工艺。它将零件制造与热处理过程集成于一体，缩短了工艺流程、提高了生产效率、实现了节能减排，符合现代制造技术的发

4、展趋势。因此，推动该工艺的实用化具有广阔的工程应用前景。本文以磨削淬硬实验为基础，研究了磨削条件、工件高度尺寸对 45 钢磨削淬硬层的影响，并对其淬硬深度进行数值模拟，为磨削淬硬技术的实际应用提供参考依据。本文的主要工作及创新点如下：(1) 通过单因素实验和正交实验，研究了磨削条件对淬硬深度的影响规律及其最佳磨削参数组合。研究结果表明：随着磨削深度、磨削行程的增加或者工件进给速度的减小，磨削淬硬深度随之增加；随着磨削行程的增加或者工件进给速度的减小，淬硬深度均匀性随之提高；顺磨时淬硬效果优于逆磨；在影响磨削淬硬效果的各因素中，磨削深度对淬硬深度有显著影响，其它因素对淬硬深度影响较弱；磨削条件对

5、淬硬深度均匀性无显著影响。(2) 通过正交实验，研究了工件高度尺寸对磨削淬硬层的影响。结果表明：在本实验条件下，工件高度尺寸对工件的淬硬效果无实质影响；工件表层淬硬区组织由混合型马氏体、少量残余奥氏体和少量未溶碳化物组成，而里层过渡区组织主要由回火索氏体组织和较为细小的马氏体组成；随着工件高度尺寸的增加，完全淬硬区显微硬度和平均淬硬深度均呈现出先增后减的变化趋势。(3) 采用 ANSYS 有限元软件对磨削淬硬深度进行了数值模拟。研究结果表明：通过仿真软件得到的仿真结果与实验结果保持一致，因此，通过数值模拟可以为磨削淬硬深度的预测提供参考依据，优化实验参数组合。(4) 通过大尺寸平面磨削淬硬实验

6、，研究磨削条件对大尺寸平面磨削淬硬层的影响。研究结果表明：大尺寸平面磨削淬硬过程中，完全淬硬区组织均由板条状马氏体组成，当磨削深度较小或者工件进给速度较大时，第一道磨削淬硬区组织转变为回火索氏体和马氏体组成的混合组织，工件重磨区域组织主要由回火索氏体组成。磨削淬硬层横向显微硬度呈现出“两侧高，中间低”的变化规律，第一道磨削淬硬层高硬度区显微硬度低于第二道磨削淬硬层，且中间区域存在由磨削淬硬层过渡区和回火区组成的、宽度不一的软化带。本研究论文是福建省自然科学基金项目 磨削淬硬层的形成机理及其均匀性的研究(项目编号：2009J01260)的重要组成部分。关键词 磨削淬硬，数值模拟，显微硬度，淬硬深

7、度IExperimental Study on Grinding-Hardened Layer and its Numerical Simulation of 45 SteelAbstractWith the development of society，the modern manufacturing develops toward to the direction of efficient and energy savingAt the same time，people pay more attention to how to improve the production environm

8、ent and decrease the labor intensive. Therefor，it should adopt a new manufacturing technique to enhance the process integration and decrease the workload. The grinding-hardening is a new technology that utilizes the heat and mechanical composite effect induced in grinding to quench the surface of st

9、eel directly. It realizes the integrated manufacturing of grinding and surface hardening and has wide application prospects in the field of grinding machine and improving surface properties of metal material.Based on the experiment of grinding-hardening，this paper studies the influences of grinding

10、condition and the workpieces size on the grinding-hardened layer of 45 steel and provided reference for the practical application of grinding-hardening. The main work and innovation point of this paper are as follows：(1) This paper studies the influences of grinding condition on grinding-hardened la

11、yer and the best grinding parameter combination that can acquire the best hardening effect by single factor experiment and orthogonal experiment. The results show that：grinding-hardened layers depth increased with the raising of depth of cut and the grinding trips or the decreasing of table speed；th

12、e uniformity of grinding-hardened layers depth improved as the raising of the grinding trips or the decreasing of table speed；the hardening effect is better than up-grinding while the grinding method adopt down-grindingIn the process of grinding-hardening machine，depth of cut is the significant fact

13、or affected the grinding-hardened layers depth；the significance of grinding conditions that affected the uniformity of grinding-hardened layers depth are very poor.(2) Based on orthogonal experiment，this paper studies the influences of the workpieces size on grinding-hardened layer. The results show

14、 that：On the condition of this experiment，the workpieces size has no Substantial influence on the grinding-hardened layer，the microstructure in the workpieces surface zone that entirely hardened include mixed martensite、residual austenite and a few carbide，and the inner regional organizations is mai

15、nly tempering sorbite and relatively tiny martensite；as the increasing of the workpieces size，the average micro-hardness and grinding-hardened layers depth of the completely hardened zone present the tendency to be improved firstly and then reduced；(3) Using software ANSYS to perform numerical simul

16、ations in the grinding-hardenedIIlayers depth. The results show that：the simulation results obtained from simulation software are consistent with the experimental results；therefore it can provide reference for grinding-hardened layers depth prediction by numerical simulation.(4) Based on the grindin

17、g-hardening experiment of large size plane，it studies the influences of grinding-hardened layers depth. The results show that：the completely hardened regional organizations are composed of plate strip martensite，while the depth of cut adopt smaller value or the table speed choose bigger value，the fi

18、rst grinding hardening areas organization change into the composed organizations consist of tempering sorbite and martensite；the workpiece regrinding regional organizations is mainly composed of tempered sorbite. The grinding hardening layer micro-hardness shows the changing tendency of high on the

19、both sides，low in the middle ，the change rule of the first grinding hardening layer hardness zone of grinding hardening layer micro-hardness is lower than the second，and there are softening zone exists in the middle area composite of transition zone and temper zone.Keywords：Grinding-hardeningMicro-h

20、ardnessNumerical simulationMicrostructureIII目录第 1 章 绪论.11.1磨削淬硬加工技术简介 .11.1.1研究背景 .11.1.2技术简介与特点 .11.2国内外研究现状及分析 .21.2.1磨削淬硬技术的研究现状 .21.2.2磨削淬硬仿真的研究现状 .41.3主要存在的问题 .41.4本研究的主要内容及意义 .5第 2 章磨削淬硬技术理论基础 .62.1磨削理论基础 .62.1.1磨削加工特点 .62.1.2表征磨削过程的主要参数 .62.1.3磨削力 .62.1.4磨削温度 .82.2磨削淬硬过程材料的组织转变 .92.2.1钢在加热时的转

21、变 .102.2.2钢在冷却时的转变 .102.3本章小结 .11第 3 章磨削条件对淬硬深度及其均匀性的影响.123.1实验条件和方法 .123.1.1实验材料 .123.1.2实验条件 .123.1.3测试方法 .133.2典型磨削淬硬件宏观形貌 .143.3单因素磨削淬硬实验结果 .153.3.1磨削条件对工件长度方向上淬硬深度的影响 .153.3.2磨削条件对工件长度方向上淬硬深度均匀性的影响 .163.3.3理论分析 .16IV3.4正交实验结果与分析 .183.4.1磨削淬硬深度 .183.4.2磨削条件对磨削淬硬深度均值的影响 .213.4.3磨削条件对淬硬深度均匀性的影响 .2

22、23.4.4提高磨削淬硬效果的方法 .233.5单程磨削淬硬深度估算 .233.5.1数学模型的建立 .233.5.2估算结果与实验结果比较分析 .263.5.3工件进给速度对最大磨削淬硬深度的影响.273.6本章小结 .28第 4 章工件高度尺寸对磨削淬硬层的影响 .294.1实验条件与方法 .294.2实验结果及分析 .304.2.1磨削淬硬层显微组织 .304.2.2磨削淬硬层显微硬度 .344.2.3工件高度尺寸和磨削条件对磨削淬硬深度的影响 .394.3本章小结 .41第 5 章 磨削淬硬深度数值模拟 .425.1 ANSYS 软件简介.425.2磨削淬硬传热学模型 .425.3磨削

23、淬硬加工温度场模型 .435.4往复磨削淬硬层深度数值模拟 .445.4.1计算热流密度 .445.4.2建立几何模型及网格划分 .445.4.3加载与求解.455.5磨削淬硬深度数值模拟 .455.6本章小结 .49第 6 章 大尺寸平面磨削淬硬层的实验研究 .506.1实验条件与方法 .506.2实验结果与分析 .51V6.2.1大尺寸平面磨削淬硬件宏观形貌 .516.2.2磨削淬硬层显微组织 .516.2.3磨削淬硬层显微硬度 .536.3 本章小结 .59第 7 章 研究总结与展望 .60致谢.61参考文献.62在学期间发表的学术论文 .65VI集美大学硕士学位论文45 钢磨削淬硬实验

24、研究及其数值模拟第 1 章 绪论1.1 磨削淬硬加工技术简介1.1.1 研究背景当今社会，工业的快速发展对能源的消耗日益增加，导致各种化石燃料被大量开采利用，进而引发了世界范围内的能源危机与环境问题；如何减少对环境的破坏，提高能源的利用效率成为摆在人们面前的主要议题。机械制造业作为国家工业发展的基础，其现代化程度直接决定着工业技术的发展与应用；在机械制造中，钢制零件的加工制造又占据着零件生产的主要部分。一般情况下，为了满足零件的使用要求，需要对零件表面进行热处理或者化学热处理以提高零件表面硬度，进而提高其耐磨度和使用寿命；因此，零件的生产制造主要由机械加工和热处理两部分组成。由于机械加工与热处

25、理分别属于零件制造的不同环节，同时都需要消耗大量能源，因此，如何实现零件加工过程中的节能减排与绿色制造成为当今工业技术发展所要解决的首要问题。1.1.2 技术简介与特点磨削加工是利用磨料去除材料的加工方法1；作为机械加工的一个环节，被广泛应用于机械零件的精密加工及高硬度材料的成形加工；随着磨削技术的发展，磨削加工的应用范围也日益扩大。在一般的车铣加工中，传入工件内部的切削能只占总能量的一小部分，而磨削加工中则截然相反，大量磨削热将传入工件内部并导致工件受热变形，表层显微组织发生转变，从而影响零件的加工精度，降低了零件的使用性能和产品合格率。为了消除磨削热的这种负面影响，在磨削加工中会大量使用冷

26、却液，但是冷却液的使用会产生工业废水，不符合环保要求；因此，减少加工过程中工业废水的排放以及磨削热能的利用至关重要。基于如何实现节能减排和磨削热有效利用两方面的考量，德国学者 E. Brinksmeier 和T. Brockhoff 于 1994 年首次提出了磨削淬硬工艺的新概念2-4；磨削淬硬加工技术是利用磨削加工过程中产生的磨削热直接对工件表面进行淬火，以提高零件表面硬度的新工艺。已有研究成果表明，磨削淬硬技术具有如下特点：(1) 磨削淬硬加工可以在普通磨床上进行，无需添加任何生产设备，减小了工艺流程，提高了生产效率。(2) 磨削淬硬加工无需使用冷却液，降低了生产成本，减小了工业废水的排放

27、。(3) 经磨削淬硬加工处理的零件表层显微组织与常规热处理方式获得的显微组织结构类似，其耐磨性较之普通零件显著提高。1集美大学硕士学位论文45 钢磨削淬硬实验研究及其数值模拟1.2 国内外研究现状及分析磨削淬硬加工技术提出以来，各国学者分别针对 40Cr、65Mn、F48MnV、45 钢等不同的金属材料做了大量的实验研究，并取得了丰硕的研究成果；随着实验设备以及磨削理论的不断完善，人们对磨削淬硬机理的研究也不断深入；同时，为了减少实验环节的研究成本，提高磨削淬硬技术的应用价值，人们开始建立各种模型对淬硬机理及淬硬效果进行数值仿真研究。1.2.1 磨削淬硬技术的研究现状19961999 年，德国

28、人 E.Brinksmeier 和 T.Brockhoff 采用单因素平面磨削实验方法，研究了磨削用量、砂轮类型、材料初始状态以及冷却方式对磨削淬硬效果的影响，研究结果如下2-4：(1) 磨削用量对磨削淬硬层深度的影响如图 1.1 所示。由图可见：淬硬深度与磨削速度之间无显著联系；而工件进给速度和磨削深度对淬硬深度影响关系显著；通过合理选择磨削用量及磨削方式可以获得较好的磨削淬硬效果。硬化层深度HPD/(mm)1.20.80.40.0020 40 60 80 100 120 磨削速度vs /(m/s)硬化层深度HPD/(mm)1.20.80.40.00.11100.01工件速度vw /(m/m

29、in)硬化层深度HPD/(mm)2.01.61.20.80.40.00.110.01磨削深度ap /(mm)(a) 磨削速度(b) 工件进给速度的影响(c) 磨削深度的影响图 1.1 磨削用量对磨削淬硬层深度的影响硬化层深度HPD/(mm)1.20.80.40.010A9085A9010A22010A9010A90B91树脂结合剂 陶瓷结合剂图 1.2 砂轮结合剂对磨削淬硬层深度的影响(2) 砂轮类型对淬硬深度的影响趋势如图 1.2 所示。由图可见：选用树脂结合剂砂轮可以获得较好的淬硬效果。(3) 磨削淬硬区硬度由含碳量决定；对于同一种材料，磨削淬硬区最大硬度值基本相同，但磨削淬硬深度有所区别

30、，具体排序为回火处理常态退火处理；与退火态工件相比，2集美大学硕士学位论文45 钢磨削淬硬实验研究及其数值模拟磨削淬硬工件的耐磨性提高了 37 倍。(4) 冷却液的使用对工件的淬硬效果无实质影响；42CrMo4 钢磨削淬硬层的最大硬度可达 750HV0.5 以上，其深度约为 0.35mm；磨削淬硬层会产生残余压应力。(5) 磨削淬硬区显微组织由板条状马氏体和存在于奥氏体晶粒中的细小针状马氏体组成，工件含碳量对这两种显微组织的影响明显：当含碳量约为 0.4%时，显微组织为细小的针状马氏体；当含碳量超过 0.5%时，更容易产生板条状马氏体组织。2002 年，Zarudi 和 Zhang 研究了调质

31、态 42CrMo4，GCr15 钢工件淬硬区显微组织结构，通过研究得出5-7：由于磨削过程中工件沿其深度方向的温度升高和冷却速度不尽相同，温度场梯度较大，导致磨削淬硬层内部显微组织不同，其分布规律为：表层由非常细小的马氏体组织组成，随着深度的增加马氏体组织逐渐变粗，在磨削淬硬层的底部出现了马氏体、铁素体和贝氏体组织。2003 年起，刘菊东采用不同的磨削方法并针对 40Cr 钢、45 钢、65Mn 钢等不同的金属材料，研究了磨削淬硬层组织的形成机理及影响因素8-35，研究结果表明：(1) 根据淬硬区域的硬度分布规律，可以将其划分为：完全淬硬区，部分淬硬区，过渡区和基体四部分；完全淬硬区组织如图

32、1.3 所示，其组织形态由表层至里层依次呈现出细一略粗一细的变化规律。(a) 表面层(b) 次表层(c) 里层图 1.3 完全淬硬区显微组织(2) 完全淬硬区硬度值主要取决于材料的含碳量，与磨削条件无关；与单程磨削相比，往复磨削工件长度方向淬硬层深度更为均匀，且其深度、硬度、耐磨性均有所提高。(3) 横向进给时，根据重磨量的不同，两次磨削结合处会产生宽度不等的软化带。2005 年，张宁菊、韩正铜36-42等人开展了非调质钢与调质 40Cr 钢的平面磨削淬硬实验研究，取得了较为理想的表面淬硬效果。2006 年，Konstantios 等学者采用生命周期评估法对磨削淬硬工艺在实际生产中取得的经济效

33、益，结果表明该工艺可有效提高生产效率，降低污染物排放；Nguyen 等学者采用液氮作为冷却液对 45 钢进行了磨削淬硬实验，并取得了良好的淬硬效果；张磊采用概率统计的方法，分析了 40Cr 钢磨削淬硬过程中参与切削的磨粒数与砂轮粒度号、磨削用量的关系43-45。2007 年，费振华采用平面磨削方式46,47，研究了砂轮地貌、磨削用量、冷却方式对3集美大学硕士学位论文45 钢磨削淬硬实验研究及其数值模拟48MnV 磨削淬硬层的影响，取得了较好的淬硬效果，工件表面区域最高硬度可达HV4094.5。2008 年，杨刚采用外圆磨削方式，对 40Cr 和 45 钢进行磨削淬硬实验研究，结果表明：通过选择

34、合理的工艺，外圆磨削也能获得较为理想的磨削淬硬效果；王晓燕研究了 F48MnV 钢磨削淬硬层显微组织，发现在淬硬区有高密度的位错存在于组织结构细小的马氏体内部48,49。2011 年，庄杰真、刘菊东50研究了磨削用量、磨削方式对 65Mn 钢淬硬层性能、组织均匀性的影响。研究结果表明：磨削深度是影响淬硬层深度的主要因素，而磨削方式主要影响其均匀性；淬硬区组织形态不受磨削工艺的影响。1.2.2 磨削淬硬仿真的研究现状在各国学者对磨削淬硬进行大量实验研究的同时，人们也开始将计算机技术应用到磨削淬硬领域，并通过各种数值计算方法建立模型对淬硬件质量进行仿真预测。2004 年，Fricker 等人51,

35、52根据三角形热源模型建立了预测淬硬深的数学模型，并结合实验结果验证了该模型的准确性。2005 年，Chryssolouris 等人通过实验与仿真相结合的方法得出：淬硬深度主要取决于工件表层达到临界温度的位置深度；同年，王珉通过 BP 神经网络建立了预测淬硬效果的数学模型并实现了反求磨削工艺参数的功能53,54。2007 年，Salonitis、Chryssolouris 等人运用有限元法建立了磨削淬硬加工温度场模型，并得出了磨削用量、输入热量与淬硬深度之间的联系55,56。2008 年，张茜采用 ansys 软件对 40Cr 钢的磨削温度场与应力场进行仿真分析，取得了与实验数据吻合度较高的结果57。2009 年，Nguyen 和 Zhang58,59考虑冷却条件对磨削淬硬工艺的影响，采用干磨和液氮作为冷