不同磨削工况下成形磨齿温度梯度的研究

朱鹏飞，李　红

（开封大学 机械与汽车工程学院，河南 开封　475000）

不同磨削工况下成形磨齿温度梯度的研究

朱鹏飞，李红

（开封大学 机械与汽车工程学院，河南 开封475000）

基于有限元分析理论，对干磨和湿磨两种磨削工况下的成形磨齿温度梯度进行了瞬态分析，并讨论了磨削区某一节点处干磨和湿磨温度梯度随时间的变化情况。研究表明，磨齿加工过程中，无论是干磨还是湿磨，在磨削初始阶段，齿面上的温度梯度不大，在磨削结束阶段，温度梯度值最大。由于磨削液的作用，湿磨温度梯度变化比干磨温度梯度变化小。

有限元分析；成形磨齿；温度梯度；瞬态分析

硬齿面齿轮常用砂轮成形磨削工艺进行精加工。而令工程技术人员为难的是在加工过程中常会出现磨削烧伤。由于加工过程中存在砂轮、齿面、磨削液之间的热传导，这样会造成被加工齿面不同区域温度变化的差异，温度变化大的区域越容易发生磨削烧伤。所以很有必要对成形磨齿加工齿面上的温度变化情况展开研究，而研究齿面温度变化情况归根结底就是研究磨削温度梯度。大多数学者研究方向为磨削温度场，发表了大量文献。而目前对于硬齿面齿轮成形磨削温度梯度的研究报道很少。

文章基于不同工况运用ANSYS软件对圆柱齿轮成形法磨削过程进行瞬态温度梯度三维模拟仿真，最终得到不同磨削阶段齿面温度梯度的分布情况，并选取齿面某一节点处温度梯度进行研究，得到了两种工况下温度梯度随时间变化情况。这一研究对齿轮成形磨削烧伤问题提供了理论依据。

1　仿真参数计算

齿轮参数如表1所示。选取合金钢40Cr作为有限元仿真的材料模型，在ANSYS软件中直接输入其材料特性：泊松比ν=0.3，密度ρ=7810kg/m3，弹性模量E=211GPa，导热系数 λ=43.96W/（m·℃）。选取砂轮型号为GZ70Z1AP400×30×127。

表1　齿轮参数

（1）对流换热载荷。在实际加工过程中，磨削液与齿面之间的温度差会导致两者之间的对流换热。一般认为，磨削液在磨削区的状态是高速层流状态。文章在研究过程中只考虑强迫对流换热对磨削温度的影响，而忽略自然对流换热对磨削温度的影响。

由纯强迫对流（层流）的准则方程

式中，Nu为努谢尔特数；Re为液流雷诺数，其中，Re=ul/ν，式中，u为磨削区内磨削液平均流速，磨削区内磨削液平均流速可表示为u=（νw+νs）/2，ν为磨削液运动粘度，其中，ν=μ/ρ，μ为磨削液动力粘度，ρ为磨削液密度，l为磨齿接触弧长；Pr为普朗特数，其中，Pr=cμ/λ，λ为磨削液导热系数，c为磨削液比热容。

由努谢尔特准则

则成形磨齿磨削区对流换热方程可以表示为

（2）热流载荷。研究中，磨削热用热流载荷qw可以表示为

式中，Ft为切向磨削力；νs为线速度；be为渐开线长度，；接触弧长；ap为磨削深度；ds为砂轮直径。

要进行成形磨齿温度梯度有限元模拟仿真，必须根据设定的磨削工艺参数计算传入齿面的热流载荷和对流换热载荷的数值，通过计算得到模拟仿真参数如表2所示。

表2　模拟仿真参数

2　仿真结果及分析

温度梯度表示温度的变化率，所以文章从干磨和湿磨两种磨削方式下对齿面温度梯度进行研究。图1显示了从磨削初始阶段到磨削稳定阶段再到磨削结束阶段干磨和湿磨两种工况下的温度梯度分布云图。在干磨时，温度梯度最大值为364.675℃/mm，湿磨时，温度梯度最大值为152.017℃/mm。无论是干磨还是湿磨，在热源形成期，齿面上的温度梯度不大，在热源快要离开齿面时，温度梯度的值最大。这也说明在砂轮快要离开齿轮时，齿面温度变化非常大，容易发生烧伤。并且说明了成形法磨齿齿面容易烧伤的位置是齿面末端靠近齿根处。

图1　温度梯度分布

在磨削区域取第403号节点为研究对象。图2描述了湿磨和干磨两种工况下该节点温度梯度的瞬态变化规律。干磨时该点温度梯度最大值比湿磨该点温度梯度最大值高。这说明干磨时，该点温度变化情况比较大。它们的温度梯度上升的速率也有很大差别，干磨工况下，当矩形热源经过该节点时，温度梯度上升速率很快，斜率比较大。而在湿磨工况下，由于磨削区有磨削液的存在，温度梯度上升速率较慢。当矩形热源离开该节点时，干磨工况下的温度梯度陡然下降，湿磨工况下的温度梯度下降速率相对缓慢。

图2　干磨和湿磨温度梯度随时间变化曲线

3　结语

（1）齿面末端靠近齿根处温度变化非常大，容易发生烧伤。

（2）由于磨削液的对流换热作用，湿磨温度梯度变化比干磨温度梯度变化小，缓解了烧伤情况的发生。

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［2］王霖，秦勇，刘镇昌，等.计算机仿真技术在磨削温度场中的应用［J］.工具技术，2001，35（10）：19-21.

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［4］田霖，傅玉灿，李海燕，等.基于集中热源法的高速磨削温度场解析［J］.金刚石与磨料磨具工程，2013，33（5）：35-39.

Research on Shaping Grinding Temperature Gradient Under Different Grinding Condition

ZHU Peng-fei，LI Hong
（School of Mechanical and Automotive Engineering，Kaifeng University，Kaifeng，Henan 475000，China）

Based on the theory of finite element analysis，Analyze grinding temperature gradien og two kinds of grinding conditions，the dry milling and wet milling，in transient analysist，and discusses the gradient changes in a node in the grinding zone between dry milling and wet milling temperature over time.Studies have shown that in the process of gear grinding processing，no matter the dry milling or the wet milling，in the initial stage，the grinding temperature gradient on the surface of the tooth is small，at the end of the grinding temperature gradient value became maximum.Because of the effect of grinding fluid，wet milling is smaller than dry grinding in the temperature gradient change.

finite element analysis；shaping grinding；temperature gradient；instantaneous condition analysis

TG616

A

2095-980X（2016）04-0043-02

2016-03-24

朱鹏飞（1987-），男，河南安阳人，硕士，助教，主要研究方向：先进制造技术。