超强耐热齿轮轴承钢磨削力和磨削温度的仿真与实验研究文献综述
2020-04-15 09:04
航空发动机作为“现代工业皇冠上的明珠”，研究一直处于各国装备制造业的顶端[1]。航空发动机的传动构件齿轮以及主轴轴承作为航空发动机的核心零部件，工作时处于恶劣的工作环境（温度高、应力条件复杂），因此对其所用材料提出了严苛的要求。超强耐热齿轮轴承钢具有高强度、耐高温等优点，适合应用于航空发动机核心零部件制造，因此对超强耐热齿轮轴承钢的研究具有极大的实际意义与价值。相关资料表明[2,3]，加工表面完整性对零件的疲劳寿命和服役性能具有重要的影响。超强耐热齿轮轴承钢具有高强度、高硬度等特点，使得其机械加工性能很差，表面质量和精度难以控制。磨削加工作为一种精加工方式，可以获得较小的表面粗糙度和较高的加工精度，广泛应用于机械制造行业中。而在以难加工材料为主的航空发动机零部件制造中，磨削加工也占有其他加工方式难以替代的重要地位，对此国内外也展开了许多研究。
国外对磨削加工、齿轮轴承钢的加工理论和实践结合性较强，既有对磨削理论的研究，也有对材料的实验研究。1999年美国德州农工大学的Mayer[4]等进行了9310钢的磨削热损伤的研究，发现过高的磨削温度会导致磨削烧伤，导致过多的刮痕。2001年英国利物浦约翰摩尔大学的Rowe[5]把磨削热的四种传热方式结合起来，将砂轮-工件接触假设为一系列的磨粒离散接触，获得了一个更加简单、准确的计算模型。2007年美国TechSolve公司的Pavel[6]等采用传统砂轮和CBN砂轮对超硬材料52100钢进行磨削试验研究，并对磨削热分配进行了分析。2010年新德里印度理工学院的Durgumahanti[7]等建立一种磨削力解析模型，但该模型未知系数较多，必须进行单颗磨粒切削试验才能获得预测模型。2017年印度马德拉斯理工学院的Umamaheswari[8]等研究了不同类型的砂轮磨粒行为，分析了磨粒修整对磨削表面完整性的影响。2018年巴西圣若昂德里联邦大学的Marcelo[9等采用碳化硅砂轮同样对超硬材料52100钢进行磨削试验研究，得出进给速度对材料磨削烧伤的影响规律。2018年德国亚琛工业大学的Rajaei[10]利用有限元法对52100钢进行了磨削模拟，并根据温度和组织变化对材料性能进行了建模。
国内则主要以实验法进行研究。2001年湘潭工学院的廖先禄和湖南大学磨削研究所的许世良 [11]对40CrNiMoA钢进行磨削力实验研究，建立了加工过程中磨削力经验公式。2005年哈尔滨工业大学的张飞虎[12]等对轴承钢GCr15进行ELID磨削性能实验研究，分析了不同类型砂轮磨削力的变化。2010年湖南大学郭力[13]等人对M50钢等进行了磨削温度的试验研究，并探讨了热电偶测温技术的实质和过程。2012年北京航空材料研究院的罗庆洪[14]等对轴承齿轮钢M50NiL进行磨削工艺实验研究，对普通磨削和精密磨削进行了对比研究，分析了磨削工艺对性能的影响。2013年北京航空精密机械研究所的的程爽[15]等对轴承钢M50NiL进行了精密磨削加工研究，建立了磨削表面粗糙度的经验公式。2014年西北工业大学的姚倡锋[16]等对超高强度钢Aermet100进行了磨削力和磨削温度的实验研究，将建立的数学模型与实验结果结合进行对比分析，验证了理论模型在实验应用上的可靠性。2017年北京理工大学的梁志强和乔治[17,18]等用SG砂轮对齿轮钢18Cr2Ni4WA进行磨削实验，验证了有限元仿真对磨削烧伤预测的可行性。对齿轮钢30CrMnTi进行磨削强化实验，探讨了磨削工艺参数对表面强化的影响。
国内外对对高强度、高硬度的材料进行磨削加工研究存在较大差异，国内主要处于实验研究阶段，提出经验公式以及分析工艺参数的影响规律等，对磨削加工的仿真和理论研究较少。国外的研究在实验和理论模型方面都有较大的进展，同时根据磨削相关因素建立磨削力和磨削温度模型，虽然部分模型用于实际应用还需要优化，但理论和实践结合比国内较强。
本次毕业论文我研究的是：“超强耐热齿轮轴承钢磨削力和磨削温度的仿真与实验研究”，对具有超高强度和耐热性能的齿轮轴承钢磨削过程中磨削力和磨削温度进行仿真和实验研究。航空发动机对齿轮和轴承具有很高的性能要求，但高性能的齿轮和轴承用钢又存在难以加工的特点，很难保证齿轮轴承的表面质量和精度，因此对超强耐热齿轮轴承钢的磨削加工过程研究是一个重点，也是一个难点。磨削力和磨削温度作为磨削加工过程中两个重要的指标，对优化磨削加工过程十分关键，因此本次毕业论文的目的在于考虑不同磨削工艺参数条件下，研究磨削力和磨削温度的变化规律和机制，并进一步探讨其对磨削表面质量的影响，为后续研究磨削表面完整性及磨削理论研究打下坚实的理论和实验基础。
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2. 研究的基本内容与方案
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基本内容：
1）了解超强耐热齿轮轴承钢的组成、特点及应用，分析其加工性能及加工难点；
2）了解磨削加工的原理、特点与应用，分析磨削加工过程中磨削力和磨削温度的变化规律；
