磨削仿真 篇1
目前普遍使用感应加热表面淬火来提高零件表面硬度,这不仅需要专用的设备,而且由此产生的废液还增加了环境负担。
磨削表面强化技术[1,2]是利用磨削过程中产生的热量使工件表层快速升温发生奥氏体化,通过基体的高热导率快速冷却来实现马氏体相变,从而使表面硬度提高。可见,磨削表面强化技术是一种集磨削加工与表面淬火于一体的高效绿色新技术。国内外学者在磨削强化技术方面做了许多研究工作并取得了一定的成果[3,4,5,6,7,8],但是目前的研究仅局限于平面磨削方式,对广泛使用的轴类零件的外圆磨削表面的强化技术尚需开展研究和应用。笔者针对40Cr钢进行外圆磨削表面强化试验研究,并对磨削温度场进行有限元仿真。
1 试验研究
1.1 试验方法与系统
外圆磨削强化试验在M1432B型万能外圆磨床上进行,磨削试验条件[9]如表1所示。在试验过程中,同时采用弹性测力顶尖进行外圆磨削力的测量。磨削完成后,将工件沿硬化层深度方向进行线切割,取下一块尺寸为8mm×3mm的材料试样,经镶嵌后研磨抛光,用硝酸酒精溶液腐蚀,制成金相试样。用XJZ-6型正置型金相显微镜观测试样的金相组织,用HXD-1000TM/LCD数字式显微硬度计测量其显微硬度,加载载荷为4.904N,保荷时间为15s。
1.2 试验结果与分析
1.2.1 金相组织
图1所示为试样表层的金相组织,从图中可以看出,试件的表层组织由表及里可分为强化层、过渡区和基体三个部分。强化层主要由针状马氏体和板条状马氏体组成。在磨削强化过程中,工件的表面与砂轮接触,受到磨削区域内热源的直接作用,温度迅速超过相变临界温度Ac3(805℃),材料组织完全转化为奥氏体。随着砂轮的离开,热源迅速消失,依靠材料本身优良的导热性能以及空气的冷却效果,工件表面已经奥氏体化的部分又在短时间内经历了一次快速冷却的过程,奥氏体组织发生马氏体转变,因此在工件表面最终获得了一定厚度的马氏体组织。过渡层主要为珠光体和铁素体以及少量马氏体的混合物。由于磨削时间较短,热量来不及传到工件表层以下很深的区域,该区域由于没有达到足够的温度,奥氏体化不够彻底,从而在温度降低后得到珠光体和铁素体以及少量马氏体的混合组织结构,与工件表面的距离越远,过渡层中的马氏体含量越少,铁素体和珠光体含量越多。基体由于没有发生金相转变,因而其金相组织为原始的铁素体和珠光体的混合物。
1.2.2 硬度分布
根据实测出的硬度,可以绘出工件表层下的硬度分布曲线,如图2所示。沿着工件表面向芯部方向,硬度在不断减小,大致分为三个阶段:第一阶段硬度减小比较缓慢,从HV754MPa(约HRC62.3)降至HV546MPa(约HRC52.1),对应部分为试件外表面至表面下0.5mm处,相当于图1中的强化层,金相组织以马氏体为主;第二阶段中硬度大幅度减小,从HV546MPa(约HRC52.1)下降至HV335MPa(约HRC33.8),对应部分为表面下0.5～0.7mm处,相当于图1中的过渡区,大量的铁素体和珠光体掺杂在马氏体中,造成了硬度减小,同时由于过渡区的尺寸较小,因此曲线下降的趋势比较显著;第三阶段硬度趋于平稳,稳定在HV270MPa(约HRC25)附近,对应部分为表面下0.7mm之下,相当于图1中的基体,没有产生相变。
强化后试件表面的硬度值最高可达HV754MPa(约HRC62.3)、硬化深度约为0.58mm,满足40Cr表面淬火硬度的一般要求(HRC48以上),证明了外圆磨削表面强化技术切实可行,而且效果良好。
2 有限元动态仿真
磨削强化理论目前尚不成熟和完善,必须通过大量试验来进行研究,不仅耗费时间、增加成本,而且由于温度场的动态分布等也不易通过实测得出、强化效果很难预知,增加了试验的盲目性。因此,有必要结合计算机仿真技术,展开外圆磨削强化温度场的动态仿真研究。
2.1 磨削过程的热源模型
磨削过程分为滑擦、耕犁与切削三部分。研究发现:当磨粒与工件间发生滑擦和耕犁时,以摩擦作用为主,磨削力的变化十分微小,产生的热流强度是近似相等的,为矩形热源分布;当磨粒与工件间发生材料切削作用时,随着磨粒切入量的增加,磨削力逐渐变大,产生的热流强度逐渐增大,形成了三角形热源分布。
本文采用复合形热源分布模型,如图3所示,该模型综合了矩形热源与三角形热源的特点。图3中,O点为砂轮磨粒与工件材料表面恰好接触的点,B点为二者恰好分开的点,中间即为磨削弧区。连接OB为X轴,通过O点作垂直OB的Z轴,以O为原点建立起直角坐标系。x代表磨削弧内某一点与原点的距离,z则代表该点的热源强度s(x)。在磨削弧内存在某一点A,该点前面的接触部分以磨粒与工件间的滑擦与耕犁作用为主,热源强度呈矩形分布;而该点后面的接触部分则以材料切削为主导作用,热源强度呈三角形分布。令传入工件的平均热源强度为qw,则矩形热源的热源强度为μ qw,三角形热源的强度峰值为υ qw,其中,μ和υ为量纲一因数。令OA长度为a,AB长度为b,磨削弧OB长度为ls,则可以建立该复合形磨削热源模型的形函数方程:
复合热源模型的热源强度s(x)可以表示为平均热流强度qw与形函数H(x)的乘积。
将砂轮和工件的接触区域视为面热源,并将该面热源视为无数带状热源的集合,则这些带状热源沿X轴以速度vw运动。取面热源中的一条宽度为dxi的带状热源,该带状热源的热源强度为qw(xi)dxi,取工件表面上任意一点,即在XOZ平面上的点P(x,0,z),则宽度为dxi的带状热源引起的温度变化公式为
式中,λ为热导率;K0为零阶二类修正贝塞尔函数。
2.2 仿真条件的确定
传入工件的热源强度[8]
qw=Rwq=RwFtvs/(lsb) (3)
式中,ls为磨削弧长;Ft为切向磨削力;Rw为热量分配比;vs为砂轮速度;b为磨削宽度。
接触弧长
式中,ap为磨削深度;ds为砂轮直径;dw为工件直径。
干磨条件下热量分配比
式中,η为砂轮的实际接触面积与名义接触面积之比;(λ ρ c)s为与砂轮有关的参数;(λ ρ c)w为与工件有关的参数;λ为热传导率;ρ为密度;c为比热容。
由磨削试验条件及相应的公式可以得到仿真初始条件,如表2所示。
2.3 有限元模型建立及热源加载
各参数确定后,建立实体模型并选用Solid70单元对模型进行网格划分。由于工件表面的温度梯度较大,为相变发生区域,对精度要求较高,所以在划分网格时实体模型表层的网格划分得更细密一些,随着深度的增加,网格变稀疏。这样既能保证对工件表层进行精确的计算分析,又可以减小计算量和系统的数据存储空间。
由于ANSYS本身不能直接加载移动热源,所以把这一过程离散化,在极短的时间内在某一磨削区加载一固定热流,在下一时间段内移至另一区域加载固定热源,并把上一次所得的计算结果作为这一次的初始条件,这是解决某些连续性问题的一个方法。有限元模型及热源加载结果如图4所示,对时间步长与加载位置分步进行调整,使热源沿工件表面移动,最后进行求解。
2.4 仿真结果与验证
经仿真后可以得到磨削温度场分布以及温度随时间变化情况。
从图5中可以看出,磨削区域内的工件表面形成局部高温和极大的温度梯度,表面温度最高达到996.494℃,并且在一定深度处都达到了表面淬火的温度要求,随着深度的增加,温度逐渐降低,基体温度则为室温,约20℃。
图6所示为工件表面周向各点的温度变化情况,从图中可以看出,工件表面周向排列的各点均经历了相似的温度变化过程,从初始的室温迅速升至900℃以上,当热源离开后又以很快的速率下降至300℃,整个温度快速升高又迅速下降的过程在2s之内,之后才以相对缓慢的速度继续下降。说明工件表面上各处的强化过程具有较好的一致性,并不因与热源接触的先后次序不同而存在差异。
根据文献[10]可知,当40Cr钢加热温度在Ac3=805℃以上时基体转变为奥氏体组织,随着温度迅速下降,奥氏体转变为马氏体,因此可以将加热温度位于Ac3以上的区域近似看作硬化区域,进而可以对硬化深度进行预测。图7所示为工件温度随深度变化曲线,从图中可以看出仿真得到的硬化深度约为0.53mm,将仿真结果同试验结果相比较得到其误差为8.62%。可见,仿真结果与试验结果之间误差较小,仿真结果有效可靠,可以用来代替试验进行研究分析,减少试验研究的次数和成本。
3 结论
(1)试验用工件材料及结构尺寸与MG300/700-WD型采煤机上某密封环(其表面硬度要求HRC45-50)一致,表明外圆磨削强化技术切实可行、效果良好,可用于生产实际,在磨削用量选择合适的情况下可以用来代替高频淬火工艺。
(2)通过对外圆磨削温度场的仿真,可以非常直观地得到表面温度场的分布与变化情况,工件表面产生强化的机理和发生相变的原因得到了验证。
(3)对硬化深度的预测和验证表明仿真结果准确有效,在不具备试验条件的情况下,可以用仿真代替试验进行研究。
摘要：采用外圆磨削方式对40Cr钢进行磨削表面强化试验,并采用对试样进行金相组织观察和表面硬度测量的方法,验证该技术的可行性和效果。随后用ANSYS对磨削温度场进行了有限元仿真,得到磨削过程中温度场的分布状况以及温度随时间变化的情况。硬化深度的仿真结果与试验结果非常接近,表明在不具备试验条件的情况下,可以用仿真代替试验进行研究和预测。
关键词：磨削强化,40Cr钢,外圆磨削,动态仿真
参考文献
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磨削仿真 篇2
一、提高磨齿精度的方法及措施
1. 齿轮的留磨余量要均匀。
要根据齿轮的相关参数选择合理的磨削余量, 磨削余量越小越好。这样, 既可以保证淬硬层, 又可以提高齿轮的承载能力。同时, 热处理时应严格按工艺要求的位置和允许的范围, 将热变形的误差降到最小。这样, 既可以使淬硬层更均匀, 又可以使磨削余量更小。
2. 磨前齿轮时, 要在齿根处留一定的沉切量。
沉切量一般略大于齿厚单边的磨削余量, 以起到空刀槽的作用。另外, 从齿轮的热后残余应力情况看, 也要求齿根处有一定的沉切量。渗碳淬火后, 齿轮根部残余应力是压应力, 这对提高齿轮的抗弯强度十分有利。若磨削不留沉切量, 齿轮的残余应力就会变为拉应力, 试验表明, 拉应力会使轮齿的抗弯强度降低约17%~20%。
3. 磨后齿轮时, 渐开线的长度应足够长。
由于齿根发生根切, 有可能使齿轮的磨后渐开线长度不够, 导致齿轮的重合度降低, 从而在啮合过程中产生振动和噪声, 同时, 也会降低齿轮的承载能力。因此磨后齿轮时, 要保证齿轮渐开线的有效长度, 以确保齿轮平稳运转, 起到降低噪音的作用。
4. 影响磨齿精度的原因。磨齿一般采用蜗杆砂轮磨齿, 在生产实践中, 蜗杆砂轮磨齿常见的误差形式及产生的原因见表1。
二、齿轮磨削裂纹的解决途径
陕西法士特汽车传动集团有限公司生产的某出口齿轮, 磨糊磨裂现象很常见, 达不到图纸的技术要求, 严重影响了产品质量。为了解决这个问题, 技术人员从砂轮选择、磨齿余量、切削参数、冷却液等方面综合考虑, 经过大量实验, 最终解决了这一问题。
1. 砂轮的选择。砂轮的特性主要指磨料、粒度、结合剂、硬度、
组织形状和几何尺寸等。本文, 技术人员主要基于以下几个方面选取砂轮。
(1) 砂轮磨料的选取。选取白刚玉系列, 有效降低了磨削时产生的热量。
(2) 砂轮粒度的选取。砂轮粒度与工件表面的粗糙度有关, 根据工件的精度要求, 一般选取46#或60#砂轮。对于粗糙度要求较高的零件, 应选用号数较大的粒度。
(3) 砂轮硬度的选择。由于工件较硬, 砂轮容易磨钝, 为了保持砂轮的切削性能和不烧伤工件, 需要使磨钝的砂粒较快脱落, 从而突出新的锋利砂粒 (这种性质称为砂轮的自锐性) , 这样, 砂轮的硬度会小一些。
2. 磨齿余量的选择。
磨削余量的大小取决于预切齿轮的精度、磨齿前切齿工序产生的误差、热处理时的变形, 以及热处理后精磨内孔形成的径向偏差。为了提高磨齿效率, 防止磨齿时出现烧伤和裂纹, 保证齿轮质量, 必须尽量减小磨削余量, 但需注意防止加工余量过小, 出现残留黑皮。技术人员经过反复试验, 摸索出了适合产品需要的加工余量, 具体的磨削余量选择见表2。
3. 切削参数的选择。
合理选择搭配切削用量, 要选择较高的砂轮转速, 以及适当的进给量。以秦川磨齿机 (YK7236A) 为例, 技术人员经过多次试验, 调整不同的进给量及循环次数, 找到了最佳的切削参数。具体参数如表3所示。实际加工中, 可以根据所留余量的大小, 调整磨削2的循环次数
4. 冷却液的选择。
冷却液也是磨削中的一个重要环节。冷却液要直接喷在磨削区上, 并且必须保证其流量和压力的充足, 以及充足的循环时间, 以使冷却液得到充分冷却。同时, 循环过程中还要经过过滤网, 以保证冷却液达到要求的纯净度。
三、结论