基于磨削特征参数的18Cr...i4A钢磨削热数值计算模型_刘旸.pdf

2q23 年3 月第2 期 大型铸锻件HEAVY CASTING AND FORGING March 2023 No.2 ，令.令.令.令.令-,;、；：机械加工，、今.今.今.今.今./基于磨削特征参数的18CrNi4A 钢磨削热数值计算模型刘 肠周蟒谭 日明（北京航天发射技术研究所，北京100076)摘要：聆削丁序是零件成型 的重要环节，层削过程 中的胎 削热一直是人们义注 的蜇点，产生 的热屋 过大会导致磨削烧伤等问题，必须控制好陷削参数。基于肋 削珅论，提 出了零件表 面磨削接触览度、磨 削接触长度、磨削力等参数 的表征方法，建立 了一种层削热 的数值计算方法。通过层削热数伯计算模型，得到了居 削过程零件的表面温度。并通过18CrNi4A 材料趴削加工试验，验证 了层削热计舞模型的可信性，能够对ISCrN 4A 及其他高强钢材料层削加工工艺参数 的确定提供一定 的理论指导关键词：磨 削；温度；数值计算；18CrNi4A 中图分类号：TH142.l 文献标志码：A Grinding Heat Numerical Calculation Model of 18CrNi4A Steel Based on Grinding Characteristic Parameters Liu Yang,Zhou Qiao,Tan Riming Abstract:Grinding process is an imporlant part of parl forming.Grinding heal in grinding process has always been Lhe focus of allenlion.Excessive heal generaled will lead Lo grinding burns and olher problems.Grinding parameters must be controlled well.In this paper,a numerical calculation method of grinding heat has been established.Based on the grinding theory,the characterization methods of grinding contact wi 小h,grinding contact length and grinding force on the surface of parts have been proposed.Through the numerical calculation model of grinding heat,the surface temperature of parts in grinding process has been obtained.The reliability of the grinding heat numerical calculalion model has been verified by Lhe grinding Lesl of 18CrNi4A material,which can provide some Lheorelical guidance for Lhe delerminalion of grinding process paramelers of 18CrN 4A and olher high slrenglh sleel materials.Key words:grinding;Lemperalure;numerical calculation;18CrNi4A 磨削过程往往是零件的最后一道工序，直接影响零件加工后的表面质示，例如表面粗糙度、残余应力组 织 性能等。磨削热在磨削过程中持续产生，零件在磨削过程中由于温升过高，易发生内部金相组织氧化而导致磨削裂纹，也会使零件表面硬 度 下 降，易 发 生 点 蚀 和 材 料 脱 落1-2。18CrNi4A 材料广泛应用千各类重载齿轮、轴承、转子等重要零件中，所以亟需开展18CrNi4A 材料关于磨 削热 的分析研究。针对金属磨 削问题，Merchant 等学者提出了磨削过程的理论模型3 J,Trigger 和Chao 考虑了掣擦和塑性变形而产生的磨削热最间题4l,Klameck 8.E.sJ 最先将有限元方法运用到磨削过程分析中。Lajczok M.R.6l 对有限元方法进行 了优化。同内陈学文7 利用ANSYS 软件，建立 了湿磨仿真模型，用千研究湿磨温度场的对流换热系数。杨伟旭8 建立 了单收稿 日期：2022-11-22 作者简介：刘肠(1988)，男，博土，工程师，现从事机械结构设计。38 颗磨粒磨削的有限元校型，分析了磨削工艺参数对磨削应力、应变及温度 的影 响规律。何玉辉等9 从磨削力角度分析 了磨削工件表面温度并进行 了纯 理 论 建 模。范 君 艳 等10 对 防 弹 钢PR0500 磨削过程进行 了仿真与试验，通过热 电偶进行了磨削温度测量。何庆勋等II 用有限元仿真，针对齿轮磨削温度场进行了数值模拟。刘晓初等12 针对CCr15 轴承钢，进行 了磨削试验，得到了磨削力与工件表面磨削温度数据，并探讨了工艺参数的影响关系。本文针对18CrNi4A 材料，开展了基于磨削特征参数的磨削热数值计算研究，建立了磨削热数学计符模观，分析磨削参数对磨削温度场的影响规律，并进行了18CrNi4A 材料的磨削试验。本义得到的分析结果可以对18CrNi4A 材料磨削过程的工艺参数确定提供一定的理论指导。1 磨削热生成机理砂轮磨削零件的过程，一般分为滑擦、耕犁和DOI:10.14147/ki.51-1396/tg.2023.02.003刘肠：基于磨削特征参数 的18CrNi4A 钢磨削热数值计算模荆2023 年第2 期切屑三个阶段。整个过程会消耗大童能量，这些能矗部分转变为热能，即磨削热。砂轮上的磨粒随着砂轮转动和移动，作用在零件的磨削区，可以看作为瞬时热游，零件表面随着热源的移动形成某种分布温度场，这就是磨削温度场。2 磨削特征参数及磨削力计算模型磨削过程中，基本特征参数包括磨削宽度、磨削接触长度、有效磨粒数、磨粒磨削厚度、磨削力等参数。磨削过程中基本磨削参数的计算，是后续研究零件表面磨削热的基础。2.1 磨削特征参数(1)磨削接触宽度b 砂轮与加工零件之间的瞬时接触理论上是点接触。假设零件和砂轮之间的接触点垂直千磨削轨迹的方向，根据曲率计算的原理，计算得到砂轮的磨削曲率kg 和被磨削零件的曲率k2,根据格里森接触原理，可以利用公式(1)获得在瞬时局部接触区域中椭圆的长轴l1,即点接触磨削宽度b:b=八 2,JO.0127 I kg-k2 I I kg-k2 1(1)(2)磨削接触长度ls,考虑到磨削过程 中工件和砂轮的弹性变形，Verker 等人13 J 根据砂轮速度vs、工件速度vw、磨削深度aP 和等效砂轮直径de 经过一系列的热波动测最试验，给出了砂轮和工件实际接触长度l 表达式：t=4.95(a 凡）0 5(t(2xp-0.02os(日0 3naP(2)de=矶dJ(d-dJ 式中，在零件磨削中，dw 是工件直径，d,是砂轮直径。(3)动态有效刃磨数Nd 动态有效刃磨数 凡 是沿着砂轮和工件之间接触弧测扯的每单位面积的有效磨削面积，利用公式(3)求得：凡=Ag C1 飞飞w2(3)式中，Ag=l.2 表示动态 比例系数，q 是与砂轮磨削密度相关的系数。指数a 和f3 与磨粒在砂轮周围的分布有关。根据实际测矗统计，0a2/3,1/232/3。(4)磨粒的最大切割厚度agmax 根据公式(4)计算磨粒 的最大切割厚 度4v 1/2 agmax=w v,NdC 汇 正C=4tan0(4)式中，0 是砂轮磨粒锥角的一半，修世超等人根据磨粒的类型获得了0 统计分布14 J。(5)单个磨粒的法向磨削力Fgns 谢桂芝等人根据磨料在材料中的作用和塑性变形理论15 提出了一种计算单个磨粒法向磨削力的计算公式：Fgns=Y/。tHa!max tan 勺(5)式中，n。是0 和1 之间的常数，t=2 是磨粒的几何因子，H 是材料的硬度。2.2 磨削力数学模型磨削过程中的磨削力主要 由两部分组成，法向磨削力F 和切向磨削力F,。任敬心等人提出了磨削力在单位磨削宽度上的数学模型16 表达厂气et:c,J 开I,尸d,宁(6)F,=0KaP+A(:c1 仁r ap 尸d,早式中，K 表示每单位磨削面积的磨削力(N/mm 勹，其值取决 于工件材料，对 于钢材，通 常为7874 N/mm2。是砂 轮和材料之 间的摩擦 系数。因此，Fn=Fn b lsc,Ft=F,b ls,o 3 表面磨削热计算模型在磨削过程中，砂轮沿着零件表面移动，由千磨削引起的热源以相同的速度沿丁件移动，磨削热问题可以考虑成一个带式热源在半无限表面上移动。磨削热流矗qm 可以通过公式(7)得到：qm=R,卫(v,土vw)bl sr(7)式中，R 表示磨削热分配比，湿磨时为0.65,干磨时为0.9。-是指顺磨，“”是指逆磨。F X-1,In I r,iv 叶M 1,t=Ilv.(a)观察点温升示卷图(b)热源作用时间图1 磨 削区工件表面的一维热传导Figure 1 One-dimensional heat conduction of workpiece surface in grinding area a.gmax 磨削区的温度分布可以通过一维热传导来计算。如图1 所示，将磨削区域的热传导过程简化，39 2023 年第2 期 大荆铸锻件即工件中的任何一点仅受通过磨削区的热源的影响。通过用于计算连续无限曲面热源温度场的方法可以获得区域EO(O:;:x,;:zs,z)中任何点M 的温升。也就是说，工件表面的温升可 由公式(8)计算：0,=0 qm=卤 盂入rr(8)式中，t=(t-x)/vw,入是材料的热导率，a 是材料的热扩散率。则工件内部距表面不同深度的任意一点的温升为：0=qmzl./J(Z)入 石v4ai(9)对千EO 区域以外的任意一点N 的温升，如图1(a)所示，点N 从E 到0 受热源的影响，持续热效应的总持续时间为 兀=sJvw。然后，点N 到达 点F 所经历的散热时间为(l-l)/vw,热源持续作用和停止作用于点N 的总时间如 图1(b)所示。点N 的温升可以通过公式(10)和公式(11)计算：。，0=:三 （三)(10)0z=0=qm 如亡 沁厂(11)入 石4 线速度和磨削深度对磨削温度的影响由于磨削过程中砂轮的横向进给速度与线速度相比一般非常小，因此本节忽略横向进给速度，研究线速度和磨削深度对零件磨削温度的影响规律。4.1 线速度的影响分析固定磨削深度为0.01 mm,计算不同磨削线速度下的零件瞬时最高温度，结果如表1 所示。可以看出零件瞬时最高温度与磨削速度基本呈正相关，磨削速度增加，磨削温度随之上升。这是因为砂轮线速度增加，则磨粒的速度增加，其运动强度和单位时间内作用的数最随之增加，故导致磨削热增强。4.2 磨削深度的影响分析固定磨削线速度为25 m/s,计算不同磨削深度下的零件瞬时最高温度，结果如表2 所示。可以看出零件瞬时最高温度与磨削深度基本呈正相关，磨削深度增加，磨削温度随之上升。这是因为切深增加，单位时间内切除材料的体积随之增多，40 导致克服材料变形和摩擦所需的能量增多，故使磨削热提高。表1 线速度与磨削温度的关 系Table 1 Relationship between linear speed and grinding temperature 线速度Ims-1 磨削温度1C 20 127.7 25 133.6 28 188.0 30 226.0 表2 磨 削深度与磨削温度的关 系Table 2 Relationship between grinding depth and grinding tempera