预加热可控磨削强化技术及其机理研究

Grind-hardening is a new technology integrated with grinding and hardening. While grinding uneven heat transfer and high temperature gradient in the existing grind-hardening process, result in low grind-hardening layer and poor stability. It seriously restricts the industrial application of the technology. This project puts forward conductive preheating grind-hardening method. By make use of conductive preheating temperature compensation, grinding workpiece keeps the grinding surface temperature on the stability of the quenching temperature range. Thus it will greatly improve the grind-hardening layer depth and the stability of the organization. The preheating temperature control and compensation method in the process of grind-hardening will be researched, and grinding device based on conductive preheating will be developed; Further grinding force and thermal coupling mechanism in the preheating harden-grinding process will be studied, and the influence law of grinding process parameters - conductive heating parameters - grind-hardening layer quality, will be system analyzed. The conductive preheating grinding surface strengthening layer formation mechanism and control law of residual stress will be revealed. Finally conductive preheating grind-hardening processing theory and technology will be established. Through the research, the project results will provide new idea and theoretical basis for engineering application of grind-hardening, and accelerate the progress of the grinding technology. The project has important scientific significance.

磨削表面强化是集成了磨削与热处理于一体的复合加工新技术。而现有的磨削强化工艺由于磨削热传递不均匀和高的温度梯度，导致磨削强化层深度小和强化层组织稳定性差等问题，严重制约了该技术的工业应用。本项目提出一种导电预加热磨削强化方法，利用导电预加热对磨削工件进行温度补偿，使磨削表层温度保持在稳定的淬火温度范围，从而提高磨削强化层的深度以及组织的稳定性。项目研究预加热磨削强化过程中的温度控制和补偿方法；研制出基于导电预加热的磨削装置；深入研究磨削强化过程中的力-热耦合机理，分析磨削工艺参数-导电加热参数-磨削强化层质量的影响规律，揭示导电预加热磨削表面强化层形成机理和残余应力控制规律，建立导电预加热磨削强化加工理论与新工艺。通过本项目的研究，其成果为磨削表面强化工程应用提供新的思路和理论依据，对推动我国磨削技术的进步具有重要的意义。

磨削表面强化是集成了磨削与热处理于一体的复合加工新技术。项目提出导电预加热磨削强化方法，利用导电预加热对磨削工件进行温度补偿，从而提高磨削强化层的深度以及组织的稳定性。分析了自阻加热磨削强化原理，通过自阻加热温度仿真，研究了导电加热参数对工件温度的影响规律，加热时间与加热温度的关系以及工件电阻特性。采用低压大电流直流电源对工件加热，研制出导电预加热磨削装置，确定预加热电流。通过实验和仿真研究了预加热磨削强化机理，结果表明，预加热温度增加，磨削强化层深度明显增加，磨削强化表面残余拉应力逐渐变为残余压应力。. 研究了微量润滑冷却磨削强化机理以及MQL参数对磨削强化层表面质量的影响规律，研究表明： MQL磨削强化磨削力下降，工件表面温度降低，残余压应力增加，表面粗糙度和表面形貌改善，磨削强化层硬度提高，深度略有降低。. 研究了磨削强化中磨削力动态变化情况，建立磨削强化的磨削力数学模型；提出了基于分段变磨削力的磨削强化层及残余应力仿真方法，采用力-热-相变耦合的方法分析磨削工件表面的磨削温度场和应力场，建立磨削强化层深度及残余应力预测模型；研究了磨削工艺参数及预加热温度对磨削强化层深度及残余应力的影响规律，结果表明：（1）磨削切入段，由于实际磨削深度小，磨削力和磨削温度相应较低，磨削强化层较浅；中间阶段磨削强化层逐渐增加并趋于稳定；切出段末端磨削强化层由于热量的大量积累而有所增加。（2）分段变磨削力法能更加准确地仿真磨削强化层深度的分布规律。提出了磨削强化层均匀性改善方法，通过在工件切入端安装304不锈钢垫片，利用304不锈钢具有电阻率大、导热系数小的特性，达到对工件切入端进行温度补偿的目的，以提高磨削表面强化层均匀性。. 通过上述研究，课题组完善了相关磨削强化理论，相关成果为磨削表面强化工程应用提供新的思路和理论依据，对推动我国磨削技术的进步具有重要的意义。