磨削淬硬零件加工的仿真研究
磨削淬硬零件加工的仿真研究
许多钢质零件需进行表面淬火处理以改善零件材料性能,提高零件的耐磨性及疲劳强度。磨削加工是一种常见的金属加工方式,被广泛应用于机械加工领域,通过磨削加工可得到满意的尺寸精度、形状精度和表面质量。磨削淬火技术是利用粗磨加工产生的磨削热，直接对工件进行表面淬火处理。与其他常用淬火技术相比，磨削淬火技术可以在磨床上进行加工，不需要再利用其他淬火设备，实现了表面淬火、磨削加工的生产集成，具有经济性和环保性的优势。
磨削淬火技术利用磨削加工中产生的大量磨削热，使工件表层快速升高到奥氏体化温度，然后快速冷却，工件表面发生了马氏体相变，实现了工件的表面淬火。当磨削温度较高，会使零件表层金相组织发生变化，出现磨削烧伤,影响零件的尺寸精度和形状精度。因此，研究磨削区温度场及磨削区温度分布具有重要的意义。
磨削淬硬过程中，工件表面温度直接影响工件性能，为了使磨削过程产生的热适宜该工件淬火温度，设计一种温度自动控制系统。接触热阻是一种可以控制热量传输器件，高温热管是导热率很高的器件，温度数据通过控制接触热阻和高温热管来控制工件表面温度，使工件达到淬火效果。
关键词 磨削淬硬，磨削热，ansys，仿真
1 引言 1
1.1课题研究的背景 1
1.2 国内外磨削热模型研究现状 2
1.3 磨削温度对磨削效果影响 2
1.4 本课题研究的意义 3
2 磨削淬硬加工理论基础 3
2.1磨削加工原理 4
2.2 磨削特点 4
2.3 磨削力 5
2.3.1磨削力计算 5
2.3.2影响磨削力的因素 5
2.4 磨削热 6
2.4.1 磨削热传导 6
2.4.2 磨削热计算 6
3 温度场有限元法分析理论基础 7
3.1 有限元基本思想与发展 8
3.2 Ansys简介 8
3.2.1 实体建模 8
3.2.2 网格划分 9
3.2.3 施加载荷 9
3.3 Ansys热分析 9
3.3.1 稳态热分析 9
3.3.2 瞬态热分析 10
3.3.3 热载荷 10
4 平面磨削过程中温度场数值仿真 10
4.1 建立模型和网格划分 11
4.2 磨削区温度场的求解 17
4.3 磨削参数对磨削淬硬工艺的影响 21
4.3.1 磨削速度 21
4.3.2 工件进给速度 23
4.3.3 磨削深度 25
5 温度自动控制系统的设计 26
5.1 磨削淬硬中磨削区磨削温度的影响因素 27
5.2 磨削区温度自动控制系统的设计 27
5.2.1 高温热管 28
5.2.2 磨削区温度自动控制系统 29
结 论 32
致 谢 33
参 考 文 献 34
1 引言
为了提高钢的强度、硬度、耐磨性、疲劳强度以及韧性等，从而满足各种机械零件和工具的不同使用要求，许多钢质零件进行表面淬火处理以改善零件材料性能。然而,常用的表面淬火方法很多，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，而且，不管采用何种热处理工艺都需要对零件进行运输、储存、清洗等操作,将使产品生产周期加长,成本提高。在磨削过程中，在短时间内会产生大量的热，这些热量一直被认为是个消极的因素，应采取冷却剂抑制其对工件的不良的影响。1994年，德国Brinksmerier和Brockhoff首次提出利用磨削过程中的磨削热对工件进行热处理的新工艺。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。该工艺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。
1.1 课题研究的背景
为了提高零件的使用性能， 常需对其进行表面淬火处理，达到表面强化的目的；目前常用的淬火方法有激光淬火、火焰淬火等，而这些热处理工艺方法需要对零件进行运输、储存、清洗等环节，所以不能集成到零件的机加工生产线上，从而造成产品成本提高，生产周期延长；同时热处理过程中所产生的废水、废料还会对环境造成污染。
在磨削加工中, 金属切削所作的功几乎全部转化为热量。由于被切削的金属层较薄, 有60% ~90% 的热量被传入工件, 这些传入工件的热量在磨削过程中常来不及传入工件深处,而聚集在表面层里形成局部高温。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冷却, 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，仅影响到工件, 也影响到砂轮的使用寿命。在大多数情况下,磨削加工产生的热量被认为是一个消极因素,应采用冷却剂及选择合适的磨削条件抑制其不良影响。目前的热处理和磨削工艺存在两个主要缺点: ①目前虽有多种表面淬硬热处理工艺,但都很难集成到产品生产线上; ②零件在表面热处理后需进行磨削加工,磨削热和机械作用可能对已淬硬材料造成损伤。
磨削淬火技术是利用磨削加工过程中产生的热量对零件表面进行淬火的集成方法，该方法节约能源、缩短生产周期、提高生产效率，同时可减少有害物质的排放，所以，具有显著的经济效益和社会效益。
1.2 国内外磨削热模型研究现状
国外发展概况
1942年，J.C Jaeger首先提出了移动热源理论，对于表面切削、磨削过程来说，移动热源磨削是一个很好的理论基础。J.C Jaeger认为：由磨粒-工件相互作用而引起短暂的强烈能量输入群，可假定成等效于沿着工件以速度移动的均匀带状热源。 Maris和Snoeys建议：磨削能的70%-80%作用在工件上，15%-20%作用在切屑和磨削轮上。1974年S Malkin 和Anderson对金属材料的磨削热理论进行了详细的阐述，他们认为切屑变形能中的剪切能大约等于每单位体积工件金属材料的熔化能；几乎所有的耕犁能和滑移能以热能的形式传入工件，而切屑变形的能量仅有55%传入工件。这种基于磨削能量分配的研究结果，得到了许多学者的承认和证实。1989年Lavine、Malkin和Jen在参考了其它论文后提出热传导到砂轮的解决办法，并引入磨损平面区域磨削能的分配比值，有效地把所吸收的磨削能分解为所占总热传导量的百分数。
国内发展概况
1964年贝季瑶先生考虑在砂轮与工件的接触弧上，磨粒的磨削厚度不一致的特点，认为磨削接触区热源的发热功率不可能均匀分布，提出了三角形分布运动热源模型的理论，实践证明，这个理论是比较符合实际的。江苏大学的刘菊东、王贵成等人对65Mn、45、60和40Cr等材料磨削淬火的机理及磨削参数的影响进行了比较研究，发现磨削淬硬区由完全硬化区和过渡区组成，分析了磨削温度场和应力场的耦合作用是形成磨削淬硬区不同组织的根本原因；给出了奥氏体晶粒及位错密度与磨削温度场、应力场的关系，得到了磨削淬硬区马氏体组织沿深度方向呈“细-略粗-细”的变化规律。针对磨削淬硬过程中产生的两侧毛刺进行了控制方法的研究，分析了不同磨削方式下淬硬层组织的变化规律及特点。张磊等对40Cr的磨削淬火过程进行了有限元仿真及磨削淬硬试验，采用ANSYS 有限元软件对40Cr的磨削温度场进行了仿真，仿真的温度场与试验测试的结果较吻合。
1.3 磨削温度对磨削效果影响
磨削的高温会使工件表面层金相组织发生变化。当磨削温度未超过工件的相变温度时，工件表面层的变化主要决定于金属塑性变形所产生的强化和因磨削热作用所产生的恢复这两个过程的综合作用，磨削温度可以促使工件表面层冷作硬化的恢复；如果磨削温度超过了工件金属的相变临界温度，则在金属塑性变形的同时，还可能产生金属组织的相变。磨削的瞬间温度过高而且集中在工件表面层的局部部位，将造成工件表面层金相组织的局部变化，这种变化叫磨削烧伤。烧伤现象将引起工件表面层机械性能下降，主要是降低工件硬度和耐磨性。更高的瞬时磨削温度在磨削过程和冷却过程中造成工件表面层与母体金属很大的温度差，形成很大的热应力。如果热应力超过材料的强度，就会使工件产生磨削裂纹，特别是在工件冷却过程中，如果表面层与母体金属有较大的温度差，那么表面层就会形成很大的拉应力，并保持位伸残余应力，甚至产生表面裂纹。裂纹的存在，哪怕是十分细小的微裂纹，也会极大地降低工件的疲劳强度，大大缩短工件的使用寿命。磨削温度使砂轮中的磨粒在加工时反复承受磨削热所形成的温度应力，对磨粒的强度和耐磨性都有不利的影响。对树脂结合剂和橡胶结合剂来讲，过高的磨削温度会导致树脂和橡胶碳化，加速磨具的磨损。磨削温度还会引起磨削区内强烈的化学反应，致使磨粒很快磨损而失去切削的能力。 高的磨削温度会使所用机床产生热变形，从而影响机床精度。
1.4 本课题研究的意义
磨削加工一般作为最终工序，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。而金相组织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，为了提高生产效率和减少有害物质排放，人们利用磨削产生的热对工件表面进行热处理，大大减少成本。根据预测，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。
2 磨削淬硬加工理论基础
2.1磨削加工原理
磨削也是切削，砂轮表面上每个微粒都可近似看成一个微小刀齿，突出的磨粒尖棱是是切削刃，砂轮也可看成具有极多微小刀齿的铣刀。磨削过程中，磨粒在高速，高压，高温作用下，逐渐磨损变得圆钝，切削能力下降，作用在磨粒上的力不断增大，当该力超过磨削极限强度时，磨粒被挤碎，产生新的棱角磨削；超过砂轮结合剂粘结力时，圆钝磨粒连同其周围的结合剂一起脱落，露出新的磨粒磨削。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切入工件，使金属层产生变形的过程。因此，磨削加工过程的本质是磨粒的切削过程。
许多钢质零件需进行表面淬火处理以改善零件材料性能,提高零件的耐磨性及疲劳强度。磨削加工是一种常见的金属加工方式,被广泛应用于机械加工领域,通过磨削加工可得到满意的尺寸精度、形状精度和表面质量。磨削淬火技术是利用粗磨加工产生的磨削热，直接对工件进行表面淬火处理。与其他常用淬火技术相比，磨削淬火技术可以在磨床上进行加工，不需要再利用其他淬火设备，实现了表面淬火、磨削加工的生产集成，具有经济性和环保性的优势。
磨削淬火技术利用磨削加工中产生的大量磨削热，使工件表层快速升高到奥氏体化温度，然后快速冷却，工件表面发生了马氏体相变，实现了工件的表面淬火。当磨削温度较高，会使零件表层金相组织发生变化，出现磨削烧伤,影响零件的尺寸精度和形状精度。因此，研究磨削区温度场及磨削区温度分布具有重要的意义。
磨削淬硬过程中，工件表面温度直接影响工件性能，为了使磨削过程产生的热适宜该工件淬火温度，设计一种温度自动控制系统。接触热阻是一种可以控制热量传输器件，高温热管是导热率很高的器件，温度数据通过控制接触热阻和高温热管来控制工件表面温度，使工件达到淬火效果。
关键词 磨削淬硬，磨削热，ansys，仿真
1 引言 1
1.1课题研究的背景 1
1.2 国内外磨削热模型研究现状 2
1.3 磨削温度对磨削效果影响 2
1.4 本课题研究的意义 3
2 磨削淬硬加工理论基础 3
2.1磨削加工原理 4
2.2 磨削特点 4
2.3 磨削力 5
2.3.1磨削力计算 5
2.3.2影响磨削力的因素 5
2.4 磨削热 6
2.4.1 磨削热传导 6
2.4.2 磨削热计算 6
3 温度场有限元法分析理论基础 7
3.1 有限元基本思想与发展 8
3.2 Ansys简介 8
3.2.1 实体建模 8
3.2.2 网格划分 9
3.2.3 施加载荷 9
3.3 Ansys热分析 9
3.3.1 稳态热分析 9
3.3.2 瞬态热分析 10
3.3.3 热载荷 10
4 平面磨削过程中温度场数值仿真 10
4.1 建立模型和网格划分 11
4.2 磨削区温度场的求解 17
4.3 磨削参数对磨削淬硬工艺的影响 21
4.3.1 磨削速度 21
4.3.2 工件进给速度 23
4.3.3 磨削深度 25
5 温度自动控制系统的设计 26
5.1 磨削淬硬中磨削区磨削温度的影响因素 27
5.2 磨削区温度自动控制系统的设计 27
5.2.1 高温热管 28
5.2.2 磨削区温度自动控制系统 29
结 论 32
致 谢 33
参 考 文 献 34
1 引言
为了提高钢的强度、硬度、耐磨性、疲劳强度以及韧性等，从而满足各种机械零件和工具的不同使用要求，许多钢质零件进行表面淬火处理以改善零件材料性能。然而,常用的表面淬火方法很多，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，而且，不管采用何种热处理工艺都需要对零件进行运输、储存、清洗等操作,将使产品生产周期加长,成本提高。在磨削过程中，在短时间内会产生大量的热，这些热量一直被认为是个消极的因素，应采取冷却剂抑制其对工件的不良的影响。1994年，德国Brinksmerier和Brockhoff首次提出利用磨削过程中的磨削热对工件进行热处理的新工艺。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。该工艺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。
1.1 课题研究的背景
为了提高零件的使用性能， 常需对其进行表面淬火处理，达到表面强化的目的；目前常用的淬火方法有激光淬火、火焰淬火等，而这些热处理工艺方法需要对零件进行运输、储存、清洗等环节，所以不能集成到零件的机加工生产线上，从而造成产品成本提高，生产周期延长；同时热处理过程中所产生的废水、废料还会对环境造成污染。
在磨削加工中, 金属切削所作的功几乎全部转化为热量。由于被切削的金属层较薄, 有60% ~90% 的热量被传入工件, 这些传入工件的热量在磨削过程中常来不及传入工件深处,而聚集在表面层里形成局部高温。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冷却, 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，仅影响到工件, 也影响到砂轮的使用寿命。在大多数情况下,磨削加工产生的热量被认为是一个消极因素,应采用冷却剂及选择合适的磨削条件抑制其不良影响。目前的热处理和磨削工艺存在两个主要缺点: ①目前虽有多种表面淬硬热处理工艺,但都很难集成到产品生产线上; ②零件在表面热处理后需进行磨削加工,磨削热和机械作用可能对已淬硬材料造成损伤。
磨削淬火技术是利用磨削加工过程中产生的热量对零件表面进行淬火的集成方法，该方法节约能源、缩短生产周期、提高生产效率，同时可减少有害物质的排放，所以，具有显著的经济效益和社会效益。
1.2 国内外磨削热模型研究现状
国外发展概况
1942年，J.C Jaeger首先提出了移动热源理论，对于表面切削、磨削过程来说，移动热源磨削是一个很好的理论基础。J.C Jaeger认为：由磨粒-工件相互作用而引起短暂的强烈能量输入群，可假定成等效于沿着工件以速度移动的均匀带状热源。 Maris和Snoeys建议：磨削能的70%-80%作用在工件上，15%-20%作用在切屑和磨削轮上。1974年S Malkin 和Anderson对金属材料的磨削热理论进行了详细的阐述，他们认为切屑变形能中的剪切能大约等于每单位体积工件金属材料的熔化能；几乎所有的耕犁能和滑移能以热能的形式传入工件，而切屑变形的能量仅有55%传入工件。这种基于磨削能量分配的研究结果，得到了许多学者的承认和证实。1989年Lavine、Malkin和Jen在参考了其它论文后提出热传导到砂轮的解决办法，并引入磨损平面区域磨削能的分配比值，有效地把所吸收的磨削能分解为所占总热传导量的百分数。
国内发展概况
1964年贝季瑶先生考虑在砂轮与工件的接触弧上，磨粒的磨削厚度不一致的特点，认为磨削接触区热源的发热功率不可能均匀分布，提出了三角形分布运动热源模型的理论，实践证明，这个理论是比较符合实际的。江苏大学的刘菊东、王贵成等人对65Mn、45、60和40Cr等材料磨削淬火的机理及磨削参数的影响进行了比较研究，发现磨削淬硬区由完全硬化区和过渡区组成，分析了磨削温度场和应力场的耦合作用是形成磨削淬硬区不同组织的根本原因；给出了奥氏体晶粒及位错密度与磨削温度场、应力场的关系，得到了磨削淬硬区马氏体组织沿深度方向呈“细-略粗-细”的变化规律。针对磨削淬硬过程中产生的两侧毛刺进行了控制方法的研究，分析了不同磨削方式下淬硬层组织的变化规律及特点。张磊等对40Cr的磨削淬火过程进行了有限元仿真及磨削淬硬试验，采用ANSYS 有限元软件对40Cr的磨削温度场进行了仿真，仿真的温度场与试验测试的结果较吻合。
1.3 磨削温度对磨削效果影响
磨削的高温会使工件表面层金相组织发生变化。当磨削温度未超过工件的相变温度时，工件表面层的变化主要决定于金属塑性变形所产生的强化和因磨削热作用所产生的恢复这两个过程的综合作用，磨削温度可以促使工件表面层冷作硬化的恢复；如果磨削温度超过了工件金属的相变临界温度，则在金属塑性变形的同时，还可能产生金属组织的相变。磨削的瞬间温度过高而且集中在工件表面层的局部部位，将造成工件表面层金相组织的局部变化，这种变化叫磨削烧伤。烧伤现象将引起工件表面层机械性能下降，主要是降低工件硬度和耐磨性。更高的瞬时磨削温度在磨削过程和冷却过程中造成工件表面层与母体金属很大的温度差，形成很大的热应力。如果热应力超过材料的强度，就会使工件产生磨削裂纹，特别是在工件冷却过程中，如果表面层与母体金属有较大的温度差，那么表面层就会形成很大的拉应力，并保持位伸残余应力，甚至产生表面裂纹。裂纹的存在，哪怕是十分细小的微裂纹，也会极大地降低工件的疲劳强度，大大缩短工件的使用寿命。磨削温度使砂轮中的磨粒在加工时反复承受磨削热所形成的温度应力，对磨粒的强度和耐磨性都有不利的影响。对树脂结合剂和橡胶结合剂来讲，过高的磨削温度会导致树脂和橡胶碳化，加速磨具的磨损。磨削温度还会引起磨削区内强烈的化学反应，致使磨粒很快磨损而失去切削的能力。 高的磨削温度会使所用机床产生热变形，从而影响机床精度。
1.4 本课题研究的意义
磨削加工一般作为最终工序，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。而金相组织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，为了提高生产效率和减少有害物质排放，人们利用磨削产生的热对工件表面进行热处理，大大减少成本。根据预测，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。
2 磨削淬硬加工理论基础
2.1磨削加工原理
磨削也是切削，砂轮表面上每个微粒都可近似看成一个微小刀齿，突出的磨粒尖棱是是切削刃，砂轮也可看成具有极多微小刀齿的铣刀。磨削过程中，磨粒在高速，高压，高温作用下，逐渐磨损变得圆钝，切削能力下降，作用在磨粒上的力不断增大，当该力超过磨削极限强度时，磨粒被挤碎，产生新的棱角磨削；超过砂轮结合剂粘结力时，圆钝磨粒连同其周围的结合剂一起脱落，露出新的磨粒磨削。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切入工件，使金属层产生变形的过程。因此，磨削加工过程的本质是磨粒的切削过程。
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