基于宏介观尺度的零件磨削淬硬层硬度均匀性机理及其控制策略研究

In the grind-hardening process, there is certain randomness for the hardened layer of microstructure evolution since the fluctuation of grinding force and grinding heat. This Randomness makes the hardened layer hardness shows uneven distribution, which affect the macro mechanical properties and application performance seriously. So as to optimize the application performance of parts during the grind-hardening process, the project conducts deeply study on the hardness uniformity mechanism and its optimal control of hardened layer from macro-meso scale. The multidimensional coupling model of macroscopic finite element and mesoscopic cellular automataton is established. The process of recrystallization and phase transition of hardened layer microstructure is studied for analyzing the mechanism of the influence of tissue evolution on the hardness and distribution of the hardened layer. Moreover the influence mechanism of grind-hardening parameters on the hardness uniformity of hardened layer is studied deeply. Besides, the prediction model and prediction system of hardness uniformity of hardened layer are constructed under the coupling influence of multiple factors. On this basis, the optimal control method of hardness uniformity is proposed to optimize the grinding parameters. Further, the project advances the hardness uniformity influence on the application performance of parts and evaluates its effect as well. The project has great scientific significance and application value for improving the grind-hardening process mechanism and promoting the part performance.

在磨削淬硬工艺下，由于磨削力及磨削热的波动等影响因素造成了淬硬层介观显微组织演变存在一定的随机性，这使得淬硬层硬度出现分布不均匀现象，该现象将严重影响零件的宏观力学性能及应用性能。本课题以优化磨削淬硬工艺下零件应用性能为目标，提出从宏介观尺度出发，对零件磨削淬硬层硬度均匀性机理及其优化控制等方面进行深入研究，建立宏观有限元与介观元胞自动机多尺度耦合模型，对淬硬层显微组织再结晶及相变动态过程进行研究，分析组织演变对淬硬层硬度及其分布的影响机理；深入研究磨削淬硬工艺参数对淬硬层硬度均匀性的影响机制，并构建考虑多因素耦合影响下的淬硬层硬度均匀性预测模型及预报系统，由此提出实现磨削工艺参数优化匹配的硬度均匀性优化控制方法；揭示硬度均匀性对零件应用性能的影响规律并对其作用程度进行评估。课题的研究对于完善磨削淬硬加工机理及提升被加工零件应用性能具有重要的科学意义及应用价值。

在磨削淬硬工艺下，由于磨削力及磨削热的共同作用会使零件表面形成以马氏体为主的淬硬层。淬硬层的产生将对零件表面起到显著的强化作用。作为评价零件表层强化效果的重要指标，淬硬层深度及硬度分布均匀性将严重影响零件在工程中的应用。因此，为了探寻磨削淬硬层深度及硬度均匀性形成机制，本项目通过分析磨削淬硬下工件表层磨削热的产生及传递规律，建立了磨削热源模型，并对工件表层磨削温度分布及其瞬时变化历程进行了有限元模拟。将宏观有限元方法(FE)及介观元胞自动机方法(CA)相结合，建立了FE-CA多尺度耦合模型，动态可视化模拟了工件表层显微组织相变过程，进而揭示了淬硬层形成机制并完成了对不同磨削工艺参数下淬硬层深度及硬度的预测。考虑磨削热源在磨削过程中的变化规律，建立了分段式三角热源数学模型，由此对不同磨削工艺参数条件下的工件表层磨削温度分布进行模拟，预测了淬硬层整体的深度及硬度均匀性。采用热力耦合有限元方法，研究了磨削淬硬过程中工件表层应力、应变场的瞬时变化规律，从而揭示了工件变形对淬硬层深度及硬度均匀性的作用机理。根据磨削淬硬工艺下磨削力的在线测量，并结合FE-CA多尺度耦合模型，探讨了磨削力波动对淬硬层深度及硬度均匀性的作用机制，预测了工件中间区淬硬层深度及硬度分布。开展了磨削淬硬实验研究，对工件淬硬层显微组织、深度及硬度分布进行了观测与测量，由此验证了以上理论分析的有效性。本项目的研究有助于完善磨削淬硬工艺理论框架，促进磨削加工技术的发展和进步，符合我国制造业可持续发展战略目标，兼具显著的经济效益和社会效益。