單程平面磨削淬硬層預(yù)測(cè)及其摩擦磨損性能研究.pdf

1、磨削淬火技術(shù)是一種新型的復(fù)合加工技術(shù)，該技術(shù)首先利用粗磨加工產(chǎn)生的大量磨削熱，對(duì)工件表面進(jìn)行淬火處理，工件表層溫度在短時(shí)間被升高到奧氏體化的溫度，然后被快速冷卻到馬氏體相變的溫度，工件表層材料發(fā)生馬氏體相變，從而提高了工件表面的硬度和耐磨性。然后再利用精磨加工滿足工件的精度要求，解決了磨削中的熱損傷和表面淬火難以集成到生產(chǎn)線的問題，將表面淬火技術(shù)集成在機(jī)械加工之中，實(shí)現(xiàn)了磨削加工與表面淬火相集成的新的加工工藝。磨削淬火工藝開拓了一個(gè)極富

2、有潛力的研究方向，對(duì)磨削加工技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步具有重要的理論意義，隨著該技術(shù)在生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用，必將產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。本文主要研究內(nèi)容和創(chuàng)造性成果如下： 對(duì)熱源的產(chǎn)生位置進(jìn)行了深入的分析，忽略磨粒與磨屑界面上產(chǎn)生的熱源，考慮在磨粒磨損界面和磨粒剪切平面產(chǎn)生的熱源，建立了熱量分配比模型。研究結(jié)果表明：由于考慮了剪切平面上熱源的熱量分配因素，計(jì)算出的熱量分配比小于W．B．Rowe模型。研究加工參數(shù)與熱量分配比的關(guān)系表明，磨削

3、深度、進(jìn)給速度對(duì)熱量分配比的影響較小，砂輪線速度對(duì)熱量分配比的影響較大，隨著砂輪線速度增加，工件的熱量分配比明顯增加。分析了磨削加工參數(shù)對(duì)傾斜平面移動(dòng)熱源模型的影響，研究表明，與平面移動(dòng)熱源模型相比，隨著磨削深度和工件的進(jìn)給速度的增加，磨削弧區(qū)內(nèi)的最高溫度隨之降低。熱源分布形狀對(duì)傾斜熱源模型的影響與平面熱源模型的影響是一致的，考慮到磨粒所受的力由切入處到切出處逐漸變大，采用了三角形熱源形狀對(duì)磨削淬火技術(shù)溫度場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算和預(yù)測(cè)。 基

4、于砂輪表而磨粒為正態(tài)分布的假設(shè)，將磨削弧區(qū)內(nèi)的磨粒分為滑擦磨粒和切削磨粒，分析了單顆切削磨粒和滑擦磨粒的受力情況，建立了單顆粒磨粒的磨削力計(jì)算模型。運(yùn)用概率統(tǒng)計(jì)理論對(duì)磨粒的磨削過程進(jìn)行深入研究，分別得出了切削和滑擦的磨粒數(shù)目，建立磨削力的理論計(jì)算模型，并計(jì)算了磨削力。研究磨削加工參數(shù)對(duì)磨削力的影響，研究結(jié)果表明，隨著磨削深度的增加，進(jìn)入磨削弧區(qū)內(nèi)的磨粒數(shù)目也隨之增加，且參與滑擦磨粒和切削磨粒的概率也增加，導(dǎo)致磨削力的增加。隨著工件進(jìn)給速

5、度的增加，參與磨削加工的磨粒的概率和進(jìn)入磨削弧區(qū)內(nèi)磨粒數(shù)目增多，磨削力也隨之增大。隨著砂輪線速度的增大，使進(jìn)入磨削弧區(qū)內(nèi)滑擦磨粒的概率和切削磨粒的概率降低，參加磨削的磨粒數(shù)目減少，因此砂輪線速度的增加會(huì)導(dǎo)斂磨削力的減少。 對(duì)磨削加工和傳熱學(xué)進(jìn)行了深入的理論分析，建立了磨削溫度場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型和有限元模型，利用建立的磨削力預(yù)測(cè)模型，計(jì)算出磨削弧區(qū)內(nèi)的磨削熱源強(qiáng)度，對(duì)不同磨削加工參數(shù)條件下的磨削淬火溫度場(chǎng)進(jìn)行有限元分析，得出工件表層的溫

6、度場(chǎng)和溫度變化歷程的仿真結(jié)果，根據(jù)熱處理理論，對(duì)磨削農(nóng)層是否淬硬、工件表面硬度和淬硬層的深度進(jìn)行預(yù)測(cè)。研究磨削深度和工件進(jìn)給速度對(duì)磨削淬硬層深度的影響表明，淬硬層深度隨著磨削深度的增加而增加，但淬硬層深度隨著工件的進(jìn)給速度的增加，呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，因此只有在較高的磨削深度和合適的工件進(jìn)給速度的條件下，才能得到較厚的磨削淬硬層。 進(jìn)行了相應(yīng)的磨削淬火技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)磨削力和磨削溫度進(jìn)行了測(cè)量。磨削力測(cè)試結(jié)果表明，利用建立的磨

7、削力模型可以對(duì)磨削力進(jìn)行較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，能夠?yàn)槟ハ鞔慊鸸に嚨姆抡骖A(yù)測(cè)提供較準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。磨削溫度測(cè)試結(jié)果表明，利用有限元計(jì)算得到的磨削弧區(qū)的磨削溫度結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為符合，誤差小于11％，其中最大誤差為10.3％。顯微硬度測(cè)試表明，磨削表面硬度預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較吻合。不同參數(shù)條件下的磨削淬硬層深度的預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值的比較結(jié)果表明，預(yù)測(cè)的最大誤差為14.1％，因此對(duì)磨削表面硬度和淬硬層深度的預(yù)測(cè)是完全可行的。對(duì)濕式磨削淬火技術(shù)進(jìn)行初步探討，

8、提出適合磨削淬火技術(shù)的磨削液加注方法，進(jìn)行了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明，新的磨削液加注方式可以在保證磨削淬硬層深度的基礎(chǔ)上，提高磨削淬硬層的硬度，改善了磨削淬硬層的硬化效果，使磨削淬火工藝使用范圍得到了提高。與干式磨削淬火相比，新的磨削液加注方式不僅可以提高工件表面形貌，而且可避免工件表層的氧化現(xiàn)象的發(fā)生。 利用MG-2000型高溫高速磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)磨削淬硬層材料、常規(guī)淬硬層材料和軟化鋼進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)。試驗(yàn)研究結(jié)果表明：磨削淬

9、硬層材料的摩擦磨損性能優(yōu)于常規(guī)淬火處理材料。磨削淬火技術(shù)產(chǎn)生的馬氏體組織較為細(xì)小，且具有較高的位錯(cuò)密度，提高了磨損過程中的塑性變形抗力和斷裂強(qiáng)度，改善了材料的耐磨性能，延遲材料從輕微磨損向嚴(yán)重磨損的轉(zhuǎn)變，在較高試驗(yàn)載荷、滑動(dòng)速度和滑動(dòng)距離情況下，磨削淬硬層材料的耐磨效果更為突出。在干滑動(dòng)摩擦條件下，磨削淬硬層材料在低載荷、低滑動(dòng)速度和較短的滑動(dòng)距離條件下，磨削淬硬層材料的磨損機(jī)制主要以磨粒磨損為主；隨著試驗(yàn)載荷、滑動(dòng)速度和滑動(dòng)距離的增加