答辯ppt-cr12mov模具鋼磨削溫度場(chǎng)及殘余應(yīng)力研究

1、Cr12MoV模具鋼磨削溫度場(chǎng)及殘余應(yīng)力研究,,,1/34,,,,第五部分：磨削實(shí)驗(yàn)研究,第四部分：磨削殘余應(yīng)力有限元仿真與分析,第三部分：磨削溫度場(chǎng)的有限元仿真與分析,第二部分：磨削溫度場(chǎng)的理論分析,第一部分：研究背景和國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀,主要研究?jī)?nèi)容,2/39,第一部分：研究背景和國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀,,,1.1 課題背景與研究意義,模具成為了先進(jìn)制造業(yè)重要的工藝裝備，廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電子、航空等領(lǐng)域,,,Cr12MoV模具鋼具有較好的耐磨性、良

2、好的韌性、較好的硬度用于制作模具。,,,,提高模具的精度、可靠性、加工表面質(zhì)量，眾多的加工方式中選擇了磨削加工。,,,,磨削過(guò)程中將產(chǎn)生表面熱燒傷、表面氧化、殘余應(yīng)力以及斷裂等,,,,,通過(guò)對(duì)磨削工藝進(jìn)行相關(guān)討論和設(shè)計(jì)，確定最佳的工藝方案。,,,,1.數(shù)值計(jì)算法2.實(shí)驗(yàn)研究3.理論計(jì)算,3/39,第一部分：研究背景和國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀,1.2應(yīng)用領(lǐng)域,4/39,第一部分：研究背景和國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀,1.3研究方法,研究方法以及問(wèn)題,1.通過(guò)數(shù)值仿

3、真，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模擬，在不需要實(shí)際系統(tǒng)參與的情況下，利用事先建立好的仿真模型來(lái)模擬運(yùn)行，并根據(jù)仿真結(jié)果來(lái)推斷、估計(jì)和評(píng)價(jià)某些主要參數(shù)和系統(tǒng)的性能,,數(shù)據(jù)量大，消耗工時(shí)，準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蝌?yàn)證仿真理論的的正確性,5/39,第一部分：研究背景和國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀,1.4國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀,6/39,第一部分：研究背景和國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀,1.5本論文研究的主要內(nèi)容,（1）根據(jù)熱傳導(dǎo)理論建立了熱微分方程，計(jì)算了熱量分配比，磨削有效長(zhǎng)度、基于矩形移動(dòng)熱源理論對(duì)進(jìn)入工件的

4、熱流量進(jìn)行了計(jì)算。（2）利用 ANSYS 的參數(shù)化語(yǔ)言APDL對(duì)Cr12MoV模具鋼磨削過(guò)程的溫度場(chǎng)求解進(jìn)行編程，對(duì)多種磨削狀況進(jìn)行了模擬，得到了多組磨削參數(shù)下溫度場(chǎng)的分布情況，然后對(duì)模擬的數(shù)據(jù)進(jìn)行了討論和解析。（3）在熱-結(jié)構(gòu)耦合基本理論的基礎(chǔ)上，編制了熱應(yīng)力和熱力耦合應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值計(jì)算的APDL程序,采用矩形熱源對(duì)殘余應(yīng)力過(guò)程進(jìn)行了仿真，對(duì)結(jié)果進(jìn)行了討論（4）對(duì) Cr12MoV模具鋼的平面磨削進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，測(cè)定了磨削力和磨削溫度，并

5、對(duì)結(jié)果進(jìn)行了分析。,7/39,第二部分：磨削溫度場(chǎng)理論分析與研究,2.1 平面?zhèn)鳠崮Ｐ图僭O(shè),,1.砂輪與工件熱源強(qiáng)度2.流入工件熱量比3.磨削力4.移動(dòng)熱源,由圖可知：磨削過(guò)程中需要考慮一下因素：,8/39,第二部分：磨削溫度場(chǎng)理論分析與研究,2.2 邊界條件,,根據(jù)能量守恒定律可知，磨削區(qū)溫度場(chǎng)即是一個(gè)瞬態(tài)熱傳導(dǎo)問(wèn)題,平面磨削區(qū)的熱傳導(dǎo)模型可近似看成平面移動(dòng)熱源對(duì)工件熱傳導(dǎo)的問(wèn)題，而整個(gè)模型看成是一個(gè)無(wú)內(nèi)熱源的瞬態(tài)三維傳熱問(wèn)題，

6、在任一時(shí)間間隔內(nèi)，導(dǎo)入微元體的總熱量加上微元體內(nèi)熱源的生成熱等于導(dǎo)出微元體的總熱量加上微元體熱力學(xué)能的增量，得出導(dǎo)熱微分方程。在瞬態(tài)的求解域內(nèi)，瞬態(tài)溫度場(chǎng)的場(chǎng)變量在直角坐標(biāo)中應(yīng)滿足的微分方程如下：,9/39,第二部分：磨削溫度場(chǎng)理論分析與研究,2.2建立瞬態(tài)溫度場(chǎng)有限元方程,在模型加載過(guò)程中，首先求得磨削區(qū)的總熱源，將除去傳入砂輪部分后的剩余磨削熱源作為移動(dòng)熱載荷施加到工件加工表面，并在工件傳熱邊界表面上附著一層面單元，加載對(duì)流換熱系數(shù)

7、來(lái)模擬磨削過(guò)程中空氣、切屑所帶走的那部分磨削熱量。在這篇文章所涉及的磨削中，砂輪深入工件的深度較淺，其數(shù)量級(jí)遠(yuǎn)小于實(shí)際工件高度。所以，我們可以將其忽略不計(jì)，從而我們就可以將其判斷為磨削層就在工件的實(shí)際表面上。所以和，共同組成了工件的邊界。我們?cè)賹⑦吔鐥l件考慮進(jìn)去，就可以得到以下磨削瞬態(tài)有限元模型：,10/39,第二部分：磨削溫度場(chǎng)理論分析與研究,2.3磨削力研究,,,,,,磨削力起源于工件與砂輪接觸后引起的彈性變形、塑性變形、切屑形成以

8、及磨粒和結(jié)合劑與工件表面之間的摩擦作用。是本次研究磨削有限元分析的重要基礎(chǔ)。,理論公式,經(jīng)驗(yàn)公式,,,11/39,第二部分：磨削溫度場(chǎng)理論分析與研究,2.4熱流分布的影響,,,,,在均布熱源中，當(dāng)Peclet數(shù)L值較小時(shí)，φ角變化對(duì)表面無(wú)量綱溫度分布影響甚微；在L值較大時(shí)，φ角增大使得無(wú)量綱溫度的變化趨于平緩，φ角很大時(shí)表面溫度將呈均勻分布。,12/39,第二部分：磨削溫度場(chǎng)理論分析與研究,2.4熱流分布的影響,,,,,在三角形傳熱模型

9、中，隨著L值的增大，工件表面最高溫度有向熱源前部（X/L=1）移動(dòng)的傾向。在一般情況下（L<10），最高溫度點(diǎn)則基本處于中部，這與普通緩進(jìn)給磨削的情況是吻合的。,13/39,第三部分：磨削溫度場(chǎng)有限元仿真與分析,,3.1 有限元模型的建立,選取 六面體八節(jié)點(diǎn)單Solid70單元，采用映射的辦法進(jìn)行網(wǎng)格劃。同時(shí)用LESIZE命令來(lái)設(shè)置各線條上的節(jié)點(diǎn)數(shù)，將工件的磨削長(zhǎng)度分為21等份，即在工件的磨削長(zhǎng)度上取21個(gè)時(shí)間步，在每個(gè)時(shí)間步中再

10、分為多個(gè)子步。,14/39,第三部分：磨削溫度場(chǎng)有限元仿真與分析,3.3 平面磨削條件,15/39,第三部分：磨削溫度場(chǎng)有限元仿真與分析,3.3 平面磨削計(jì)算,,,,16/39,第三部分：磨削溫度場(chǎng)有限元仿真與分析,17/39,第三部分：磨削溫度場(chǎng)有限元仿真與分析,18/39,第三部分：磨削溫度場(chǎng)有限元仿真與分析,結(jié)果表明：磨削的深度越高，那么整個(gè)磨削工件的表層溫度都將升高。這是由于，伴隨著磨削深度的增加，在同一時(shí)刻參加到過(guò)程當(dāng)中的磨粒

11、數(shù)量大幅上升，進(jìn)而不同材料之間的摩擦和切削增加，所消耗的機(jī)械能更多，進(jìn)而產(chǎn)生更多的熱量附著工件表面，使其溫度增加。,19/39,第三部分：磨削溫度場(chǎng)有限元仿真與分析,結(jié)果表明：磨削溫度基本與砂輪的速度成正比。也就是說(shuō)，在單位面積內(nèi)，砂輪速度的上升導(dǎo)致了單位時(shí)間內(nèi)的摩擦力做功增多，切削的變形能增加。與此同時(shí)，磨粒的摩擦加劇。所以，工件表面溫度線性上升。,20/39,第三部分：磨削溫度場(chǎng)有限元仿真與分析,溫度場(chǎng)基本保持幅度很小的上下震動(dòng)。在

12、上升的區(qū)間里，隨著工件速度的增長(zhǎng)，磨削力做功增加，系統(tǒng)內(nèi)能迅速上升，故磨削溫度上升。在下降的區(qū)間里，熱流密度跟成正比例增長(zhǎng)，熱源的運(yùn)動(dòng)速度也加以增長(zhǎng)，減少了熱量交換的時(shí)間，從而減少了熱量交換的量，達(dá)到了磨削溫度下降的效果。,21/39,第四部分：磨削殘余應(yīng)力有限元仿真與分析,殘余應(yīng)力產(chǎn)生原因,機(jī)械應(yīng)力,金屬相變,溫度不均勻,22/39,第四部分：磨削殘余應(yīng)力有限元仿真與分析,磨削終點(diǎn)截面溫度云圖，可知磨削溫度在表面層有較大的溫度，沿著深

13、度方向上溫度逐漸降低，且距離表面溫度梯度較小，溫度最高。,磨削過(guò)程結(jié)束后，卸掉所有載荷，讓工件通過(guò)對(duì)流換熱冷卻到基本接近室溫，此時(shí)排除了溫度的作用，測(cè)得的應(yīng)力即為最終的殘余應(yīng)力。如圖4.6為工件冷卻后的溫度場(chǎng)，最高溫度才 41℃，基本接近室溫，因此可以認(rèn)為該時(shí)刻工件表面的應(yīng)力為最終殘余應(yīng)力。,23/39,第四部分：磨削殘余應(yīng)力有限元仿真與分析,,殘余應(yīng)力,圖4.8和圖4.9是從不同方向?qū)饘俦韺又械臍堄鄳?yīng)力進(jìn)行仿真，前者結(jié)果是垂直于加工

14、方向的殘余應(yīng)力仿真，后者是平行于加工方向的殘余應(yīng)力仿真，且兩者仿真的結(jié)果都冷卻后應(yīng)力為殘余壓應(yīng)力 ，在加工過(guò)程中，金屬表面受到機(jī)械效應(yīng)的影響，由于加工工具的擠壓和摩擦作用使得金屬表面體積增大，受到金屬內(nèi)層的制約作用后產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力；同時(shí)還受到熱效應(yīng)的影響，在金屬表層加熱膨脹過(guò)程中，表層受到內(nèi)層的制約作用，為殘余壓應(yīng)力，當(dāng)金屬冷卻后，表層的收縮效應(yīng)也受到內(nèi)層的制約作用，為殘余拉應(yīng)力；在仿真過(guò)程中忽略金屬相變的影響，同時(shí)忽略了熱效應(yīng)的影響，

15、只研究了機(jī)械效應(yīng)對(duì)殘余應(yīng)力的影響。,24/39,第四部分：磨削殘余應(yīng)力有限元仿真與分析,深度與殘余應(yīng)力的關(guān)系,圖4.10為磨削終點(diǎn)處x,y方向應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線圖，圖4.11為等效應(yīng)力曲線隨時(shí)間變化的曲線圖。從圖可知磨削過(guò)程中由于受到溫度的影響，工件發(fā)生熱塑性變形，磨削過(guò)程中，受到溫度和機(jī)械效應(yīng)的影響，剛開(kāi)始為應(yīng)力為拉應(yīng)力，在室溫中進(jìn)行冷卻過(guò)程中，溫度效應(yīng)逐漸降低，最后x-tress和y-stress應(yīng)力表現(xiàn)為殘余壓應(yīng)力。圖4.11等效

16、應(yīng)力曲線顯示了磨削過(guò)后磨削的表面殘余應(yīng)力較大，沿深度方向殘余應(yīng)力逐漸降低。,25/39,第四部分：磨削殘余應(yīng)力有限元仿真與分析,磨削參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力影響,在金屬材料的加工中，材料表層主要是殘余壓應(yīng)力，并且與磨削過(guò)程中的加工深度呈正相關(guān)關(guān)系，加工的深度越大，殘余壓應(yīng)力越大；加工的深度越小，殘余壓應(yīng)力越小，同時(shí)紅色的線低于藍(lán)色的線表明垂直方向的殘余壓應(yīng)力大于平行方向的殘余壓應(yīng)力。由于磨削液的冷卻作用，可在一定程度上抑制加工過(guò)程中熱效應(yīng)的影響，

17、同時(shí)減緩熱效應(yīng)隨加工深度加大而加大的變化趨勢(shì)，所以在仿真過(guò)程中只考慮機(jī)械因素的影響。,26/39,第四部分：磨削殘余應(yīng)力有限元仿真與分析,磨削參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力影響,材料表層主要是殘余壓應(yīng)力，并且與磨削過(guò)程中的加工砂輪轉(zhuǎn)速呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，砂輪的速度越大，殘余壓應(yīng)力越??；轉(zhuǎn)輪的速度越小，殘余壓應(yīng)力越大。,27/39,第四部分：磨削殘余應(yīng)力有限元仿真與分析,磨削參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力影響,材料表層主要是殘余壓應(yīng)力，并且與磨削過(guò)程中的加工工件速度呈正相關(guān)關(guān)

18、系，工件速度越大，殘余壓應(yīng)力越大；工件速度越小，殘余壓應(yīng)力越小。而加工過(guò)程中的熱效應(yīng)由于加工工件的速度增大，減小了摩擦熱和變形熱的產(chǎn)生時(shí)間，增大了熱量的擴(kuò)散時(shí)間而逐漸減小，與機(jī)械效應(yīng)相比，熱效應(yīng)的影響較小，主要研究的是機(jī)械效應(yīng)的影響。,28/39,第五部分：實(shí)驗(yàn)研究,5.1實(shí)驗(yàn)材料及性能,本文選用的工件長(zhǎng)度為40毫米，高度為5毫米，寬度為4毫米，此加工步驟采用線切割機(jī)進(jìn)行加工……,29/39,第五部分：實(shí)驗(yàn)研究,實(shí)驗(yàn)設(shè)備和條件,本次實(shí)驗(yàn)

19、選擇平面磨床 MGK7120×6，采用了瑞士生產(chǎn)Kistler9257BA 型測(cè)力儀器，通過(guò)三向動(dòng)態(tài)的晶體壓電工作原理測(cè)量 Cr12MoV模具鋼在磨削加工過(guò)程中承受的磨削砂輪的作用力。,30/39,第五部分：實(shí)驗(yàn)研究,磨削力信號(hào),利用以上測(cè)力系統(tǒng)便可獲得Cr12MoV模具鋼在磨削過(guò)程中受到砂輪的作用力。圖 5.6 為測(cè)力傳感器傳出的Cr12MoV模具鋼在被加工時(shí)受到砂輪的作用力信號(hào)導(dǎo)入matlab，導(dǎo)出結(jié)果。,31/39,第五

20、部分：實(shí)驗(yàn)研究,5.2溫度測(cè)量原理,電流的大小和溫度的高低呈正相關(guān)關(guān)系，溫度越高，產(chǎn)生的電流值越大，經(jīng)過(guò)電信號(hào)放大器放大后，再由電信號(hào)采集器記錄,32/39,第五部分：實(shí)驗(yàn)研究,熱電偶的制作,將待加工的金屬平滑的分成兩塊，在其中一塊上挖出0.5mm×0.2mm的凹槽，將熱電偶傳感器放于凹槽內(nèi)部，使得兩塊金屬能緊密的重新結(jié)合在一起，不干擾金屬的磨削加工。為了降低對(duì)原有金屬工件的加工影響，應(yīng)將熱電偶傳感器做的很小，在本文中使用直徑

21、為0.25mm的兩種熱電偶金屬，將其放入工件的凹槽內(nèi)，同時(shí)為了杜絕兩種熱電偶金屬間的導(dǎo)電以及熱電偶和金屬工件間的導(dǎo)電效應(yīng)，將三片厚度為10微米的云膜片置于三者之間，保證熱電偶中的電流能準(zhǔn)確的反應(yīng)金屬的溫度，同時(shí)在放置熱電偶過(guò)程中，應(yīng)保證熱電偶的兩條金屬絲平行。,33/39,第五部分：實(shí)驗(yàn)研究,5.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果,34/39,第五部分：實(shí)驗(yàn)研究,,,,,,,,,,,研究了常見(jiàn)工藝參數(shù)對(duì)磨削溫度場(chǎng)的影響。,利用熱彈塑性有限元方法計(jì)算磨削表面殘余

22、應(yīng)力，獲得磨削過(guò)后的應(yīng)力曲線，并分析了各個(gè)參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力的影響。,對(duì)Cr12MoV模具鋼的平面磨削進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，獲得了磨削力與磨削溫度，有效驗(yàn)證了仿真的有效性。,總結(jié),35/39,第六部分：總結(jié)與展望,展望,,,,,,,,,,,展望2,展望3,采用傳統(tǒng)的矩形熱源模型對(duì)磨削溫度場(chǎng)進(jìn)行了解析和數(shù)值仿真，而磨削區(qū)熱流分布非常復(fù)雜，因此有必要繼續(xù)深入研究磨削區(qū)熱流分布情況,本文采用熱電偶法測(cè)量磨削溫度，該方法會(huì)破壞工件的整體性，會(huì)影響所測(cè)得