40Cr钢窄深槽磨削区的热分配比分析

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槽宽小于2mm,槽深大于5mm的窄深槽结构在实际生产中应用广泛,但实现其高精度加工一直是机械加工的难题。磨削温度通常会影响工件表面质量,当磨削温度较高时会造成工件表层各种形式的热损伤。电镀CBN砂轮缓进给深切磨削可以有效的降低磨削过程温度,并提高窄深槽加工效率和精度。本文通过理论推导、试验分析和有限元仿真等手段,对40Cr钢工件的窄深槽磨削区热分配情况进行了深入研究,主要研究内容如下:(1)对窄深槽磨削过程中顶刃区和侧刃区的磨削接触弧长度进行了理论分析,并研究了磨削过程中磨削力的物理模型。针对磨削过程中温度场的分布,本文首先探讨了各种磨削热源模型,并建立了适合于窄深槽磨削的二次曲线形热源模型,在此基础上提出了热源耦合作用的理论。文章着重分析了磨削区热量分配传递方式,探讨了不同热分配比例模型,研究了窄深槽磨削热分配比例模型。(2)采用单层电镀CBN砂轮对40Cr钢工件进行了窄深槽的缓进给深切干磨试验,对窄深槽磨削温度进行了系统的研究,并将试验结果与理论温度计算值进行了比较分析。结果表明:整个磨削过程中工件最高温度发生在工件切出端上表面距离磨削起点最远的位置。窄深槽底面和侧面受到多个磨削热源耦合作用,直接作用于加工面的磨削热源对加工面的温度影响最显著用,且距离较远的热源对其温度影响较小。窄深槽试验测量温度与理论计算值表现出良好的一致性。磨削温度随着砂轮线速度、工件进给速度和磨削深度的增大而增大,在磨削过程中磨削深度对磨削温度影响最大,工件进给速度次之,砂轮线速度对磨削温度影响最小。(3)对窄深槽磨削时的瞬态温度场进行了有限元仿真分析。通过建立几何模型、划分网格、定义边界条件和施加热流载荷,运用ANSYS软件的生死单元技术,采用参数化设计语言实现了材料去除和热源移动。通过仿真分析,得出二次曲线热源分布模型可以有效的反映实际磨削温度分布,修正热量分配比例模型与大切深磨削的实际温度分布拟合度较高,修正热量分配比例模型受多个磨削参数的影响,其中磨削深度影响最大。仿真结果与试验结果表现出良好的一致性,可用于对磨削温度的预测。
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