基于晶体塑性有限元的航空齿轮超声振动辅助磨削残余应力计算与试验验证
邹润湘1
唐进元1
周伟华1
叶世杰1
李方成2
杨玉典3
1.中南大学 极端服役性能精准制造全国重点实验室,长沙 410083;中南大学 机电工程学院,长沙 4100832.中国航发湖南动力机械研究所,株洲 4120023.中国航发中传机械有限公司,长沙 410200
摘要：[目的]航空齿轮对表面完整性要求严苛,超声振动辅助磨削(Ultrasonic Vibration-Assisted Grinding,UVAG)有助于提升齿面残余压应力与抗疲劳性能,但其热-力-微观塑性耦合机制仍需进一步阐明.为此,建立同时考虑超声振动与热-力耦合的晶体塑性有限元模型(Crystal Plasticity Finite Element Model,CPFEM),以实现齿面残余应力的正向预测,并揭示超声调控机制.[方法]构建齿面随动坐标系与磨削接触几何,推导UVAG条件下的摩擦衰减、切向磨削力与瞬态热流模型;在CPFEM中引入超声软化项与温度软化项,完成12Cr2Ni4A合金钢材料参数的标定,并建立表层/层深双尺度多晶模型;在Abaqus-UMAT框架下开展不同磨削参数与工况仿真;搭建UVAG试验平台,采用嵌入式热电偶对磨削温升进行校核,并通过X射线衍射(X-Ray Diffraction,XRD)逐层剥除法测量齿面及层深残余应力,实现模型验证.[结果]基准工况下,模型预测的齿面残余压应力峰值约为-369 MPa,100 μm处约-50 MPa,与XRD实测的偏差≤20%;不同工况下,表面验证平均误差约为21%,模拟值与试验值变化趋势一致.相较常规磨削,UVAG条件下残余压应力峰值提升20%～30%,作用层深提高约50%.结果表明,UVAG通过抑制摩擦致热并促进多滑移协同与位错增殖,可降低平均Taylor因子、提升滑移活动度、重构跨尺度应力场;所建模型可用于航空齿轮UVAG残余应力预测与工艺参数优化.
关键词：航空齿轮晶体塑性有限元模型超声振动辅助磨削热力耦合残余应力
分类号：TG58(金属切削加工及机床)
资助基金：国家自然科学基金(52205507)
论文发表日期：2026-08-15
在线出版日期：2026-09-12（本平台首次上网日期，不代表文献的发表时间）
页数：14( 80-93 )
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