超高强度钢磨削表面变质层研究

发布时间：2017-08-08 10:12

  本文关键词：超高强度钢磨削表面变质层研究

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【摘要】：超高强度钢具有强度高、硬度高、断裂韧性高等特点,主要用于航空和航天工业重要的结构部件如飞机起落架、火箭发动机壳体。由于超高的强度和硬度,超高强度钢磨削时会产生较大的磨削力和磨削热,磨削力会造成金属塑性变形,引起零件表层硬化和残余压应力;磨削热会使材料的表层组织软化,并引起残余拉应力,温度过高时工件表面甚至会出现烧伤和裂纹,从而影响构件的疲劳寿命。本文以超高强度钢AerMet100为研究对象,通过有限元仿真、磨削实验、测试分析等,对AerMet100磨削力、磨削温度、应力场、应变场以及表面变质层特征进行研究。论文主要研究内容和取得的成果如下:1.首先基于磨削原理对单颗磨粒磨削过程和表征单颗磨粒磨削过程的磨削要素进行了介绍,然后对磨削表面变质层结构和变质层特征的形成进行了分析,最后对磨削表层的塑性变形分析方法进行了研究。2.通过有限元仿真计算分析,获得了不同工艺参数下单颗磨粒切削过程中的磨削力、磨削温度以及工件表层最高温度沿深度方向的分布规律。基于砂轮表面磨粒概率统计方法,建立了相应的磨削力预测模型。最后通过磨削测力测温实验对仿真结果进行了验证。结果表明:单颗磨粒磨削力随工件速度和磨削深度的增加而增大,随砂轮速度的增加而缓慢减小。CBN砂轮磨粒导热性高,其磨削温度均低于白刚玉磨粒磨削温度。随着工件速度和磨削深度的增大,工件表层高温区域的影响深度增大;随着砂轮速度的增大,工件表层最高温度沿深度方向的下降速度增大,热影响深度减小。3.通过有限元仿真计算分析,分析了单磨粒切削过程中磨削区的应力场和应变场特征,获得了不同工艺参数水平下热力耦合作用对工件表层等效应力场和等效应变场的影响规律。结果表明:等效应力场、等效应变场随单颗磨粒切削强度的提高而增加。当磨削热引起的变形温度未达到材料的软化温度时,高的应变率和磨削力引起的大塑性应变是等效应力增大的主要原因。在同一加工参数水平下,CBN砂轮磨削变质层塑性变形程度较白刚玉砂轮剧烈,其塑性应变场变化更集中在磨削表层。4.基于磨削试验,研究了温度场和塑性应变场对表面变质层的影响规律,获得磨削表面变质层形成机理。结果表明:磨削表层受磨削热影响较大,磨削次表层受磨削力塑性拉伸(或压缩)的影响较大。对于白刚玉砂轮,磨削热的温升弱化作用占主导,对于CBN砂轮,磨削力引起机械塑性变形的金属强化作用占主导。
【关键词】：超高强度钢 表面变质层 磨削力 磨削温度 应力场 塑性应变场
【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG580.6
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-18
• 1.1 研究背景与意义10-11
• 1.2 国内外研究现状分析11-14
• 1.2.1 超高强度钢AerMet100研究现状11-12
• 1.2.2 单颗磨粒切削（磨削）有限元仿真研究现状12-14
• 1.3 课题来源及研究目标14-15
• 1.3.1 课题来源14
• 1.3.2 研究目标14-15
• 1.4 论文主要内容内容及章节安排15-18
• 第二章 磨削加工表面变质层形成机制分析18-32
• 2.1 引言18
• 2.2 磨削原理与磨削工艺过程18-23
• 2.2.1 磨削过程磨粒作用分析18-20
• 2.2.2 表征单颗磨粒磨削过程的磨削要素20-23
• 2.3 磨削表面变质层概念及其形成机理分析23-26
• 2.3.1 磨削表面变质层基本概念23-24
• 2.3.2 磨削表面变质层梯度特征的形成机理24-26
• 2.4 磨削表层塑性变形分析方法26-31
• 2.4.1 Hasani塑性变形流线模型27-29
• 2.4.2 平面纯剪切变形应变计算29-30
• 2.4.3 仿真与试验相结合的磨削表层塑性变形分析方法30-31
• 2.5 本章总结31-32
• 第三章 AerMet100磨削力和磨削温度仿真与试验研究32-58
• 3.1 引言32
• 3.2 有限元数值分析32-34
• 3.2.1 有限元数值分析软件32-33
• 3.2.2 有限元数值分析流程33-34
• 3.3 单颗磨粒切削有限元模型的建立34-40
• 3.3.1 磨粒模型34-35
• 3.3.2 AerMet100材料模型35-36
• 3.3.3 网格划分36-37
• 3.3.4 摩擦模型及切屑分离准则37-38
• 3.3.5 边界条件的定义38-39
• 3.3.6 模拟过程控制设置39-40
• 3.4 单颗磨粒有限元仿真过程与结果分析40-48
• 3.4.1 单颗磨粒切削仿真参数设计40
• 3.4.2 单颗磨粒磨削力分析40-42
• 3.4.3 磨削温度场42-48
• 3.5 AerMet100磨削力与磨削温度实验验证48-55
• 3.5.1 磨削力、磨削温度测量实验48-50
• 3.5.2 磨粒磨削与砂轮磨削映射关系50-52
• 3.5.3 仿真结果与实验结果对比分析52-55
• 3.6 本章小结55-58
• 第四章 AerMet100磨削表层应力场与塑性应变场58-78
• 4.1 引言58
• 4.2 弹塑性应力应变理论基础58-61
• 4.2.1 应力分析58-60
• 4.2.2 应变分析60-61
• 4.3 AerMet100磨削应力场61-68
• 4.3.1 白刚玉砂轮单颗磨粒切削等效应力场61-63
• 4.3.2 CBN砂轮单颗磨粒切削等效应力场63-64
• 4.3.3 白刚玉砂轮和CBN砂轮单颗磨粒切削等效应力场比较64-68
• 4.4 AerMet100磨削塑性应变场68-73
• 4.4.1 白刚玉砂轮单颗磨粒切削等效应变场68-71
• 4.4.2 CBN砂轮单颗磨粒切削等效应变场71-72
• 4.4.3 白刚玉砂轮和CBN砂轮单颗磨粒切削等效应变场比较72-73
• 4.5 塑性应变场仿真与试验计算比较分析73-77
• 4.5.1 基于试验测试的等效应变场计算73-75
• 4.5.2 单颗磨粒切削和砂轮磨削等效应变场比较分析75-77
• 4.6 本章小结77-78
• 第五章 AerMet100磨削表面变质层试验研究78-94
• 5.1 引言78
• 5.2 磨削工艺试验方案78-83
• 5.2.1 试验方案与试验过程78-80
• 5.2.2 表面变质层测试与分析80-83
• 5.3 磨削表面变质层形成机理分析83-92
• 5.3.1 温度场与塑性应变场对微观组织的影响83-86
• 5.3.2 温度场与塑性应变场对加工硬化的影响86-89
• 5.3.3 温度场与塑性应变场对残余应力的影响89-92
• 5.4 本章小结92-94
• 第六章 总结与展望94-96
• 6.1 总结94-95
• 6.2 展望95-96
• 参考文献96-102
• 攻读硕士学位期间所发表的论文102-104
• 致谢104-105

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本文编号：639439