40Cr材料干磨削表面硬化层一致性仿真研究.pdf

精密制造与自动化 2016年第2期 7 40Cr 材料干磨削表面硬化层一致性仿真研究*何深荣1 王彦东1 耿志杰2 王雨时1 修世超1（1.东北大学 机械工程与自动化学院 辽宁沈阳 110819；2.山东黄金集团烟台设计研究工程有限公司 山东烟台 264006）摘 要 为研究干磨削强化层深度一致性的影响机理，以 40Cr 材料为仿真研究对象。利用沿深度方向的仿真温度曲线，并结合奥氏体转变温度，获得硬化层分布情况及磨削硬化层分布一致性特征。结果表明，随着磨削深度的增加硬化层深度逐渐增加，随着进给速度的增加硬化层深度逐渐减小，且试件表面切入区与切出区硬化层深度分布一致性不够均匀，而表面中间区域硬化层分布一致性较好。关键词 40Cr 干磨削 淬硬 硬化层 一致性 钢质零件干磨削加工技术具有绿色环保的作用，可主动利用磨削加工中产生的热与机械作用实现对非硬化钢进行表面磨削加工及表面层淬硬处理，使工件表面材料发生马氏体相变从而产生硬化层，使零件有更好的机械性能，具有复合加工特点。加工过程中，只要零件表层金属超过奥氏体化的温度，同时具备足够的冷却速率使它产生马氏体相变，即可达到淬火状态。这种方法不仅降低了成本，缩短了生产周期，减少了磨削液的排放对环境的污染，还最大限度地实现了对生态的保护1。文献2利用实验和有限元仿真，通过测量变热流密度加载后该点的温度，得出结论，工件相同深度不同位置处的温度是不同的，预测了硬化层深度的不均匀性。文献3结合多元线性回归法，以磨削淬硬实验为基础，建立了切向磨削力的公式，并利用热量分配系数公式，对不同磨削用量下硬化层厚度进行了预测，实验结果表明，磨削深度对硬化层厚度影响较大，硬化层厚度与工件进给速度呈现反比关系，随着砂轮速度的增加，硬化层厚度也随之增大。目前，国内外学者的研究主要集中在磨削淬硬工艺参数、材料的适应性及淬硬效果等方面，而对硬化层分布一致性的研究并不深入4-6。磨削硬化 国家自然科学基金资助项目 编号：51375083 层的一致性是指零件硬化层参数沿工件表面的分布情况，硬化层分布的一致性将对工件疲劳强度和使用寿命产生直接影响。因此，本文以 40Cr 材料为研 究对象，进行磨削硬化层深度的仿真分析，研究影响硬化层一致性的因素及其变化规律。1 40Cr1 40Cr 材料干磨削硬化仿真研究材料干磨削硬化仿真研究 本次仿真选用 M7120A 平面磨床（主要技术参数：砂轮转速为 2 880 r/min），实验工件的材料为非调质 40Cr，有效磨削区域尺寸为 50 mm20 mm10 mm。采用干磨削，顺磨方式进行仿真。1.1 1.1 仿真条件仿真条件 采用不同的磨削深度进行仿真，试件的进给速度设定为 0.2 m/s。磨削淬硬仿真条件如表 1 所示7。表表 1 磨削淬硬仿真条件磨削淬硬仿真条件 序号 磨削深度ap(mm)磨削宽度 B(mm)1 0.05 10 2 0.10 10 3 0.15 10 4 0.20 10 1.2 1.2 不同磨削深度的硬化层仿真分析不同磨削深度的硬化层仿真分析 为节省计算量，采用 4 倍接触弧长作为仿真长方体的长度，故仿真的长方体模型尺寸为 25 mm20 mm10 mm。磨削热力作用主要作用于工件表面，故在网格试验与研究 精密制造与自动化 2016年第2期 8 划分时，表层网格划分较细，下层网格划分较粗。这样的划分方法既节省了运算空间，而且也提高了计算精度。综上所述，工件实体模型网格长、宽、高方向共划分 403030 个网格8。在单元类型选择方面，本文采用了 ANSYS 提供的 SOLID70 三维8 节点单元，对实体模型进行离散化处理，网格的划分如图 1 所示。图图 1 零件模型网格划分零件模型网格划分 对实体模型进行离散化处理以后，对其施加载荷，磨削淬硬实验是一个复杂的过程，影响因素很多，所以需要进行某些理想化的假设：（1）磨削淬硬试验的初始温度为室温 20；（2）工件和砂轮磨粒之间没有发生化学反应；（3）砂轮和工件接触区的边界条件就是施加的热流强度，表面其他位置没有热源强度；（4）忽略工件与空气的热对流影响。由于磨削深度直接影响磨削力大小，进而影响热流密度的大小，热流密度影响磨削淬硬的最高温度，结合材料的热物性参数和热处理等相关理论知识就可以对硬化层深度进行预测，取ap=0.05 mm，ap=0.10 mm，ap=0.15 mm，ap=0.20 mm 分别进行有限元仿真，仿真共分为 40 个载荷步，磨削时间为1.2 s。图 2 为不同磨削深度条件下，仿真结果取工件的磨削中间区中点位置，工件表面温度随时间的变化曲线，在磨削深度为 0.05mm 时为 613.3，这个温度小于 40Cr 奥氏体化所需的温度(750），所以在这个磨削深度条件下，工件不能发生淬硬。磨削深度为 0.1