高速高效磨削传热过程建模与数值分析方法

本书系统介绍了各种基本传热模型：包括传统Jaeger模型，高效深切模式下的倾斜移动热源磨削、圆弧接触移动热源模型以及有限宽度三维热源模型；系统介绍了磨削区各传热体之间热分配的子模型：工件与磨粒间热分配、磨屑能与磨屑温度、磨削液的冷却效应与对流换热系数模型以及综合传热模型。结合实例，系统介绍了如何应用上述模型，建立包括简单干磨、传统浅磨、缓进给磨削、高速、超高速高效深切磨削、快速点磨等多种磨削工况下磨削温度综合分析模型的方法和具体分析计算步骤。

前言

第1章磨削热的生成及对工件表面质量的影响1

11磨削机制1

12磨削热的生成2

13比磨削能3

14磨削热分配7

15磨削热损伤7

第2章磨削传热基本模型14

21磨削区温度场理论分析简介14

22不同热源条件下的温度场14

23受绝热面限制的非无限大导热体的温度场19

24Jaeger移动热源模型20

25倾斜移动面热源传热模型21

26圆弧接触移动热源模型26

27瞬时传热问题27

28瞬态表现29

第3章磨削区热分配子模型31

31概述31

32磨削区传热比率32

33磨削区传热比率随磨削参数的变化33

34未变形磨屑厚度与磨粒成屑区切应变36

第4章磨削液的冷却效应与表面传热系数40

41概述40

42磨削液的种类和组成41

43表面传热系数模型42

44磨削区表面传热系数的实际测量与评估50

45根据磨削温度对磨削区流体表面传热系数的估算方法52

第5章渐开线齿轮成形磨削温度57

51齿轮成形磨削几何学和动力学57

52齿轮成形磨削温度理论模型63

第6章磨削传热分析有限元方法基础72

61有限元方法及分析程序简介72

62ANSYS软件操作步骤72

63不同类型载荷加载73

64单元生死74

65循环控制76

第7章磨削温度计算实例78

71平面磨削温度计算实例78

72齿轮成形磨削温度计算实例82

73高效深切磨削温度计算实例87

第8章有限元仿真实例90

81普通浅磨实例分析90

82外圆磨削温度分析实例110

83齿轮成形磨削温度有限元仿真123

84高效深切磨削温度计算138

 

前言磨削是保证各类精密零件的加工精度、表面质量和表面完整性的重要手段。如何正确选择磨削条件和磨削参数，有效控制磨削温度，避免磨削烧伤，获得符合使用要求的零件表面硬度、残留应力和显微组织状态，是磨削理论与技术研究以及具体工程应用中的重要课题。

    作者对于磨削传热分析的兴趣始于20世纪90年代初，比较系统的工作则始于1997年。在跟随蔡光起先生开展高速与超高速磨削理论和技术研究期间，对高效深切磨削的传热机制开展了比较系统的研究工作。后来在英国利物浦约翰摩尔大学以及克兰菲尔德大学工作期间，作者在布赖恩·罗以及大卫·斯蒂芬森教授指导下，做了深入研究。2010年回国后，在湖南大学工作期间，对齿轮磨削传热模型开展了进一步的研究。本书正是作者对过去十几年在磨削传热理论方面研究工作的总结。

    本书以高速与超高速高效深切磨削模式的传热理论分析为起点，建立了磨削传热分析的系统分析模型。相关模型和分析方法对于普通磨削模式也完全适用，分析精度和准确性更高。本书厘清了在一般传热分析中容易忽视但却非常重要的内容，对磨削区内的对流换热冷却作用进行了定量分析和测量，建立了磨屑与工件之间热分配定量分析模型。通过系统联系工件、砂轮磨粒、磨削液以及磨屑之间的传热关系，建立了磨削温度分析的完整模型。只要知道磨削区总的热流输入或者总的磨削功率，即可对磨削区工件表面温度以及表层温度分布进行较为准确的预测和计算。本书还建立了齿轮成形磨削的完整传热模型，可以对渐开线齿轮成形磨削传热问题进行详细分析。本书还通过多个具体实例介绍了不同磨削工况下磨削温度的计算方法和计算流程，同时还结合实际研究工作，详细介绍了磨削温度数值仿真分析的方法和具体步骤。

    本书在编写过程中参考和引用了许多著作的内容，在此向各位作者表示衷心的感谢。

    由于编者水平有限，书中难免有不足之处，恳请广大读者批评指正。

    金滩长沙岳麓山下