Ανάπτυξη μεθοδολογίας υπολογισμού της κατανομής και του βάθους διείσδυσης σκλήρυνσης λόγω διεργασίας σκλήρυνσης μέσω λείανσης (grind - hardening)

Abstract

The objective of the present study is the development of a methodology capable of predicting the hardness distribution and the hardness penetration within a grind-hardened workpiece. Grind-hardening is a novel-alternative surface hardening process that utilizes the heat generated in the grinding zone for the heat treatment of the workpiece material. The present work has employed analytical and numerical modeling techniques for describing the characteristics and output of the process, i.e. the topography of the grinding wheel, the process induced forces, the heat generation and partition and the temperature distribution within the work-piece. These models when coupled allow the estimation of the hardness distribution and the hardness penetration depth as a function of the process parameters and the characteristics of the grinding wheel. Additionally, through the process modeling, the process limitations are identified. After proving the validity of the theoretical predictions, the coupled models were utilized for the extraction of a data base providing the hardness penetration depth as a function of the heat flow entering the workpiece and the process parameters. The developed methodology was used for programming the grind-hardening of raceways. The main conclusion of this work is that grind-hardening process can be nowadays introduced in the industrial practice. The methodology developed, allows the prediction of the process outcome and can be used in the future for setting up an on-line monitoring system and / or develop an off-line process programming system.

Το αντικείμενο της παρούσας διατριβής είναι η ανάπτυξη μεθοδολογίας προσδιορισμού της κατανομής της σκληρότητας και του βάθους διείσδυσης της σκλήρυνσης που προκαλείται σε ένα εξάρτημα το οποίο έχει υποστεί Σκλήρυνση μέσω Λείανσης (Grind-Hardening). Η διεργασία Σκλήρυνσης μέσω Λείανσης είναι μία νέα επιφανειακή θερμική κατεργασία η οποία χρησιμοποιεί την θερμότητα που αναπτύσσεται στην ζώνη λείανσης για την θερμική κατεργασία του κομματιού. Η παρούσα διατριβή επικεντρώνεται στην ανάπτυξη μαθηματικών μοντέλων ικανών να προβλέψουν τα διάφορα χαρακτηριστικά της διεργασίας (δηλ. τη τοπογραφία της επιφάνειας του λειαντικού τροχού, τις δυνάμεις κατεργασίας, την παραγωγή και τον επιμερισμό της θερμότητας και την θερμοκρασιακή κατανομή). Τα μοντέλα αυτά συνδυαζόμενα επιτρέπουν τον προσδιορισμό της κατανομής σκληρότητας και του βάθος δι-είσδυσης της σκλήρυνσης συναρτήσει των παραμέτρων της διεργασίας και των χαρακτηριστικών του λειαντικού τροχού που χρησιμοποιείται. Παράλληλα, η εφαρμογή των μοντέλων αυτών οδηγεί σε χρήσιμα συμπεράσματα σχετικά με τα όρια εφαρμογής της διεργασίας. Μετά την επιβεβαίωση των θεωρητικών προβλέψεων, εξάχθηκε βάση δεδομένων υπολογισμού του βάθους διείσδυσης της σκλήρυνσης συναρτήσει της ροής θερμότητας στο κομμάτι και των παραμέτρων της διεργασίας. Η μεθοδολογία που αναπτύχθηκε εφαρμόστηκε για την περίπτωση σκλήρυνσης οδηγών κύλισης (raceway). Το σημαντικότερο συμπέρασμα που προκύπτει από την συγκεκριμένη διατριβή είναι ότι η διεργασία σκλήρυνσης μέσω λείανσης μπορεί να θεωρηθεί αρκετά «ώριμη» ούτως ώστε να μπορεί να εισαχθεί στην βιομηχανική πρακτική για την επιφανειακή σκλήρυνση εξαρτημάτων. Τα διάφορα χαρακτηριστικά της διεργασίας μπορούν να προβλεφθούν ενώ τέθηκαν οι βάσεις δημιουργίας ενός συστήματος παρακολούθησης και προγραμματισμού της διεργασίας.