摘 要

为探究磨削深度、砂轮线速度和磨粒前角三个因素对于20CrMnTi钢磨削过程中的磨削温度和磨削力两个考察指标的影响机理和规律，从而有效避免产生磨削烧伤和磨削裂纹等失效形式，本文借助有限元仿真软件DEFORM中的单磨粒磨削手段对齿轮的磨削加工过程进行模拟仿真。运用正交试验、极差分析法和综合平衡法分析得出一组优选磨削加工参数设置方案。在前述基础上通过单因素试验探究上述三个因素分别对两个考察指标的影响规律。结果表明，磨削深度、磨粒负前角对磨削温度和磨削力的影响呈同向变化趋势；砂轮线速度的增加导致磨削温度升高而磨削力降低。研究所得结果可为齿轮磨削参数设置研究及砂轮修型提供相关理论依据，为进一步研究齿轮磨削作用提供一种新的思路和途径。

关键词：有限元仿真；单磨粒磨削；正交试验；参数优化

Abstract

In order to explore the influence mechanism and law of the three investigation indexes of grinding depth, grinding wheel linear velocity and abrasive rake angle on the grinding temperature and grinding force in the 20CrMnTi grinding process, so as to effectively avoid grinding burns, grinding crack and other failure modes, this paper uses the single abrasive grain grinding method in the finite element simulation software DEFORM to simulate the grinding process of the gear. The orthogonal test, range analysis method and comprehensive balance method are used to obtain a set of optimal parameters setting schemes, which can effectively improve the quality of the gear and increase the service life. Through single factor experiment, we explore the effect and influence law of the above three factors on the two investigation indicators. The results show that the effects of grinding depth and negative rake angle of abrasive grains on the grinding temperature and grinding force are in the same direction, but increasing the linear speed of the grinding wheel causes the grinding temperature to increase and the grinding force to decrease. The results obtained can provide relevant theoretical basis for the study of gear grinding parameter setting and grinding wheel repair, and provide a new way of thinking and way for further study of gear grinding.

Key Words：Finite element simulation; Single abrasive grinding; Orthogonal test; Grinding parameters

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 I

第1章 绪论 1

1.1 课题研究的背景与意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 本课题研究的内容与方法 2

第2章 磨削加工原理及热力模型 4

2.1 磨削运动 4

2.2 磨削加工原理 4

2.3 单颗磨粒磨削力模型 6

2.4 单颗磨粒热源温度场模型 6

2.5 本章小结 6

第3章 基于Deform-3D的单粒磨削有限元仿真 8

3.1 有限元仿真软件简介 8

3.2 单粒磨削有限元仿真建模 9

3.2.1 建立几何模型 9

3.2.2设置网格划分形式 10

3.2.3 工件与磨粒材料的基本物理属性 11

3.2.4单颗粒磨削的有限元仿真参数设置 13

3.3 本章小结 14

第4章 单颗粒磨削正交试验分析及工艺参数优选 15

4.1 试验方案拟定 15

4.2 试验结果及分析 16

4.2.1 试验结果 16

4.2.2 极差分析法 17

4.2.3 综合平衡法 19

4.2.4 优选方案验证 20

4.3 本章小结 22

第5章 单因素试验及作用规律分析 23

5.1 各因素对磨削温度的影响及规律 23

5.1.1 磨削深度对温度的影响 23

5.1.2 砂轮线速度对温度的影响 23

5.1.3 磨粒前角对温度的影响 24

5.2 磨削温度场分布规律 27

5.2.1 磨粒温度分布 27

5.2.2 工件温度分布 27

5.3 各因素对磨削力的影响及规律 29

5.3.1 磨削深度对磨削力的影响 29

5.3.2 砂轮线速度对磨削力的影响 30

5.3.3 磨粒前角对磨削力的影响 30

5.4本章小结 32

第6章 总结与展望 34

6.1 全文总结 34

6.2 工作展望 34

参考文献 36

致 谢 38

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景与意义

作为渗碳钢，20CrMnTi由于具备良好的加工性以及极佳的抗疲劳性能，故被广泛用作齿轮材料，并能够良好地满足齿轮加工要求。由于齿轮具备传动损耗小、工作过程稳定、结构较为紧凑的特点，在机械行业中具有广泛应用。20CrMnTi齿轮的加工工艺过程主要有^[1]：

1. 锻造制坯。即对金属材料进行锻造工艺，通过锻造制得齿轮的毛坯初形。
2. 正火。正火是热处理的一种形式，达到细化晶粒的目的，改善工件的可切削性，有利于后续的金属粗车加工。
3. 粗车加工。对前道工序的毛坯进行粗车加工，以满足齿轮加工的尺寸及定位要求等，确保齿轮后续加工质量。
4. 调质处理。对经过粗车的毛坯进行调质处理，以消除表面加工应力并且提高表面硬度，为后续齿轮的精车加工做好准备。
5. 精车加工。精加工齿轮外圆、端面，将尺寸加工到图纸规定的尺寸要求。
6. 制齿。通常采用插齿机或滚齿机进行齿面加工，制成齿形。
7. 热处理。对制成齿形的齿轮进行施加渗碳淬火的工艺，以保证齿轮具有满足使用要求的力学性能。
8. 磨削加工。磨削一般是齿轮加工的最后一道工艺，属于精加工，消除上道工序带来的形位公差并提高表面加工质量等，以达到高品质、低噪音的双重目标。

随着当今世界加工技术以及精密设备的发展，对齿轮的磨削加工技术提出了新的要求。不仅要求齿轮心部具有良好韧性，还需要其表层硬度高、强度高、耐磨性好。磨齿是20CrMnTi齿轮加工的最终工序和主要精加工手段^[2.3]，依据其加工原理和特性，磨齿技术能够消除上道工序残留的形位误差并提升齿轮表面光洁度，改善其接触疲劳强度和弯曲疲劳强度等力学性能。如果齿轮磨削过程中的磨削参数设置不当，齿轮表面便容易出现磨削烧伤和裂纹等失效形式，对齿轮质量产生不利影响，造成精度下降、使用寿命缩短等现象，进而有害于产品的正常使用甚至引发安全事故，故有待于对磨削加工过程进行分析和优化^[4]。

1.2 国内外研究现状