不同磨削工況下成形磨齒溫度場(chǎng)的研究

朱鵬飛　賈　佳

（開封大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，開封 475000）

不同磨削工況下成形磨齒溫度場(chǎng)的研究

朱鵬飛賈佳

（開封大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，開封 475000）

本文基于有限元分析理論，對(duì)干磨和濕磨兩種磨削工況下的成形磨齒溫度場(chǎng)進(jìn)行了瞬態(tài)分析，并討論了磨削區(qū)某一節(jié)點(diǎn)處干磨和濕磨溫度隨時(shí)間的變化情況。研究表明，磨齒加工過程中，齒面末端靠近齒根處溫度最高，非常容易出現(xiàn)磨削燒傷。兩種磨削工況下，磨削溫度迅速升高，并且干磨溫升速率大，但是濕式磨削溫度和干式磨削溫度下降速率幾乎相同。

有限元分析磨削工況溫度場(chǎng)磨削燒傷

引言

成形砂輪的磨齒是一種高效的齒輪磨削方法，它是依靠漸開線砂輪來磨削齒輪的齒形，由于在磨削加工過程中成形砂輪與工件接觸面積較大，所以磨削燒傷問題經(jīng)常發(fā)生［1］。成形磨齒燒傷問題嚴(yán)重影響了齒輪承載能力和使用壽命，它已成為工程技術(shù)人員迫切需要解決的問題。成形磨齒加工所消耗的能量絕大部分轉(zhuǎn)化為熱能，使得工件加工區(qū)及其臨近的區(qū)域溫度升高，過高的磨削溫度就會(huì)導(dǎo)致磨削燒傷，所以為了探索解決燒傷問題的措施，就有必要對(duì)磨削溫度場(chǎng)進(jìn)行分析研究。多年以來，對(duì)于磨削溫度場(chǎng)的研究國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)做了大量工作，以試圖減輕磨削燒傷的途徑，取得了豐碩的研究成果。例如在普通平面磨削、重型凸輪磨削、高速點(diǎn)磨削、工程陶瓷高效深磨、展成法齒輪磨削等加工工藝中，前人們研究了磨削燒傷與磨削溫度的關(guān)系；提出了不同種類的移動(dòng)熱源理論；建立了磨削溫度場(chǎng)數(shù)學(xué)模型；模擬了磨削溫度場(chǎng)瞬態(tài)分布云圖；得到了不同磨削用量對(duì)磨削溫度的影響規(guī)律；測(cè)量了特定工藝下的工件磨削區(qū)溫度等等，發(fā)表了大量文獻(xiàn)［2-7］。但對(duì)磨削溫度的研究多數(shù)學(xué)者大都是在相同工況下展開的，而且多數(shù)是定性分析，目前根據(jù)不同工況對(duì)于成形法磨齒溫度場(chǎng)的研究鮮見報(bào)道。

本文基于不同工況運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)成形磨齒溫度場(chǎng)進(jìn)行研究，最終得到不同磨削階段齒面溫度的分布情況，并選取齒面某一節(jié)點(diǎn)處溫度進(jìn)行研究，得到了兩種磨削工況下節(jié)點(diǎn)處磨削溫度隨時(shí)間的變化情況。

1成形磨齒模型加載

由表1中齒輪參數(shù)，將UG6.0軟件所創(chuàng)建的直齒圓柱齒輪三維模型截取一個(gè)齒導(dǎo)入ANSYS軟件。選取合金鋼40Cr作為有限元仿真的材料模型，在ANSYS軟件中直接輸入其材料特性：泊松比ν=0.3，密度ρ=7810kg/m3，彈性模量E=211GPa，導(dǎo)熱系數(shù)λ=43.96W/（m.℃）。選取砂輪型號(hào)為GZ70Z1AP400×30×127，視砂輪為矩形移動(dòng)熱源模型。

干磨工況下，磨削區(qū)由第一類邊界條件和第二類邊界條件所組成，濕磨工況下，磨削區(qū)的組成是由三類邊界條件的混合。干磨工況下，選取三維實(shí)體熱單元SOLID70把熱流載荷加載到磨削區(qū)，其它齒輪表面的熱對(duì)流載荷直接通過實(shí)體熱單元SOLID70加載；而濕磨工況下除此之外還要選取表面效應(yīng)單元SURF152把對(duì)流換熱載荷加載到磨削區(qū)。另外，濕磨工況下，可忽略空氣自然對(duì)流換熱對(duì)磨削溫度的影響，設(shè)定兩種工況下初始邊界條件即齒面的初始溫度為25℃。

基于移動(dòng)熱源理論，圖1表示了熱源長度l與熱流密度q之間的關(guān)系。干磨工況下只在齒面加載熱流載荷q（指熱流密度），而濕磨工況下要在齒面同時(shí)加載熱流載荷q和對(duì)流載荷h（指對(duì)流換熱系數(shù)）。本文采用矩形熱源模型，其以速度vw（相當(dāng)于砂輪沿齒寬方向進(jìn)給速度）在齒面（指磨削區(qū)）上運(yùn)動(dòng)，由此產(chǎn)生的溫度場(chǎng)也以同樣的速度vw運(yùn)動(dòng)，從而引起齒面各個(gè)位置的瞬態(tài)溫度變化。

表1齒輪參數(shù)

圖1磨削模型

2　有限元仿真分析

要對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行有限元模擬仿真，必須根據(jù)設(shè)定的磨削用量計(jì)算傳入齒面的熱流載荷和對(duì)流換熱載荷的數(shù)值，通過計(jì)算得到模擬仿真參數(shù)見表2。

表2模擬仿真參數(shù)

根據(jù)表2所示的有限元模擬仿真參數(shù)，采用APDL語言編制溫度場(chǎng)計(jì)算程序，可得出溫度場(chǎng)分布云圖。圖2～5顯示出從磨削初始階段到磨削結(jié)束階段干磨和濕磨兩種工況下的溫度分布情況。從圖中可看到每個(gè)磨削階段的最高溫度，對(duì)比兩種工況可以得出濕磨對(duì)磨削溫度場(chǎng)的影響很大，磨削液與齒面之間的對(duì)流換熱起到了及時(shí)冷卻磨削表面的作用，并且云圖中磨削高溫區(qū)域范圍小。圖3所示干磨齒面溫度最大值為698.982℃，而圖5所示濕磨齒面溫度最大值為253.78℃。從圖中可以明顯地看出來，無論是濕磨還是干磨工況，齒面最高溫度的位置均在砂輪快要離開齒輪齒面時(shí)的位置，所以在加工過程中，齒面末端靠近齒根處較易發(fā)生燒傷。

圖2干磨初始階段溫度分布

圖3干磨結(jié)束階段溫度分布

圖4濕磨初始階段溫度分布

圖5濕磨結(jié)束階段溫度分布

圖6溫度隨時(shí)間變化曲線

本文選取被磨齒面第403號(hào)節(jié)點(diǎn)為研究對(duì)象，而且是任意選取。圖6描述了濕磨和干磨兩種工況下，該節(jié)點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化情況。對(duì)比兩種工況，干磨工況下該節(jié)點(diǎn)溫度最大值比濕磨工況下該點(diǎn)溫度最大值大很多。從數(shù)學(xué)中圖形斜率的概念出發(fā)，圖中反映了在1s的時(shí)間節(jié)點(diǎn)處干磨和濕磨磨削溫度都急劇升高，并且干磨圖形斜率大，溫升速率大，而兩種磨削工況下該節(jié)點(diǎn)處的溫度下降速率幾乎相同。

3結(jié)論

（1）加工過程中，齒面末端靠近齒根處溫度最高，非常容易出現(xiàn)燒傷情況。

（2）兩種磨削工況下，磨削溫度急劇升高，并且干磨溫升速率大，但是濕磨磨削溫度和干磨磨削溫度下降速率幾乎相同。

［1］李伯民，趙波.現(xiàn)代磨削技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

［2］李榮斌，崔璨，陳夢(mèng)蝶.平面磨削溫度場(chǎng)有限元仿真及實(shí)驗(yàn)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2014，30（6）：81-85.

［3］陳榮蓮，程維明，賀耀龍，等.重型凸輪磨削溫度場(chǎng)的仿真與實(shí)驗(yàn)研究［J］.中國機(jī)械工程，2009，20（20）：2431-2434.

［4］劉月明，鞏亞東，韓廷超，等.高速點(diǎn)磨削溫度場(chǎng)仿真及其影響分析 ［J］.東北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，32（7）：1004-1007.

［5］郭力，何利民.工程陶瓷高效深磨溫度場(chǎng)的有限元仿真［J］.湖南文理學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，21（2）：57-64.

［6］張文麗.Y7125磨齒機(jī)磨削模型建立與磨齒過程熱狀態(tài)研究［D］.太原：太原理工大學(xué)，2005.

ResearchonTemperatureFieldofGearForm Grinding Between Different Grinding Conditions

ZHU Pengfei，JIA Jia
（SchoolofMechanicalandAutomotiveEngineering，Kaifeng University，Kaifeng 475000，Henan）

Based on the theory of FEA，temperature field of gear form grinding has been analyzed transiently between dry and wet grindingconditions，andthevariationsofdryandwetgrinding temperature followed with time of a certain node in the grinding zone havebeendiscussed.Thestudyshowsthatintheprocessof gear-grinding machining，the highest temperature occurs at the end of the tooth surface and beside the tooth root，where grinding burn easily occurs.Underthetwokindsofgrindingconditions，grinding temperature rises rapidly，and dry grinding temperature rising rate is larger.However，thewetgrindinganddrygrindingtemperature descending rates are almost the same.

FEA，grinding condition，temperature field，grinding burn