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超声振动磨削淬硬齿轮钢残余应力和硬化层的理论与试验研究

刘中云  
【摘要】:齿轮是传递运动和动力的传动系统核心关键零件,目前,高速运载、航空航天、新能源等高端装备的高速发展对传动齿轮的需求越来越大,对其服役性能和疲劳寿命也提出了很高甚至是苛刻的要求。齿轮表面的残余应力和硬化层质量是抗疲劳寿命的重要指标,如何通过加工工艺的改进达到理想的残余应力和硬化层质量是近期的研究热点之一。超声振动辅助加工下刀具具有瞬间高能集中,高频振动冲击作用和独特的切削机理,对于残余应力和硬化层的主动控制具有明显的作用。因此,对淬硬42CrMo齿轮钢在超声振动磨削下热-力耦合作用表面残余应力与硬化层的形成机理进行试验研究,最终为高性能齿轮的抗疲劳制造提供一种高效可控的加工方法。本文的研究内容和成果如下:(1)通过理论分析,分析超声振动磨削加工过程中磨粒的运动轨迹特征和磨粒的磨削机理,建立了超声振动磨削力数学模型,并利用ABAQUS有限元仿真软件对超声振动磨削条件下磨削温度场进行仿真,利用研制的轴向超声振动试验平台进行试验验证。研究表明:超声振动磨削改变了材料去除机理和散热方式,相对于传统磨削,磨削力在超声振动磨削中最高降低了38%左右,磨削温度也有所降低,验证了理论分析的正确性。(2)基于热-力耦合作用,在ABAQUS有限元仿真软件中建立淬硬齿轮钢超声振动磨削三维仿真模型,实现了超声振动磨削加工残余应力的模拟分析,并进行试验验证,分析对比了在超声振动和传统磨削条件下不同磨削参数对残余应力的影响规律。研究表明:试件表面呈现残余压应力,并且超声振动加工有助于残余压应力的产生,整体提高了14%-45%左右,仿真结果与试验结果吻合较好,验证了试验的可靠性。(3)研究了试件硬化层的表面微观形貌、表面显微硬度、表面粗糙度等表征。研究表明:由于超声振动加工改变了磨削加工材料的去除机理,试件表面微观形貌优于传统磨削,并且超声振动磨削抑制了微裂纹产生,超声振动磨削下硬化层表面的显微硬度高于传统磨削的表面硬度,超声振动磨削试件表面粗糙度也明显降低。因此,超声振动磨削试件硬化层的质量优于传统磨削加工。


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