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

1、1/35,Cr12MoV模具鋼磨削溫度場(chǎng)及殘余應(yīng)力研究,,,姓名：邱奕,學(xué)號(hào)：201230071588,導(dǎo)師：周里群 教授,2/35,,,,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,3/35,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

2、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,4/35,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,5/35,第一部

3、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,6/35,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,,磨削熱微分方程的建立、熱分配比的確立、磨削有效長(zhǎng)度計(jì)算、矩形移動(dòng)熱源強(qiáng)度計(jì)算。,,ANSYS 的APDL磨削溫度場(chǎng)編程與結(jié)論分析,,ANSYS 的APDL磨削殘余應(yīng)力編程與結(jié)論分析,,實(shí)驗(yàn)設(shè)備選擇和實(shí)驗(yàn)條件的確立，實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析,7/35,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

4、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：,8/35,第二部分：磨削溫度場(chǎng)理論分析與研究,2.2 邊界條件與熱微分方程,,瞬態(tài)熱傳導(dǎo)方程如下：,,,第一類邊界條件：室溫,第二類邊界條件：熱源,,,9/35,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

5、有限元分析的重要基礎(chǔ)。,理論公式,經(jīng)驗(yàn)公式,,,10/35,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。,11/35,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,,,,,在三角形傳熱模型中，隨著L值的增大，工件表面最高溫度有向熱源前部（X/

6、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。,12/35,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)間步中再分為多個(gè)子步。,13/35,第三部分：磨削溫度場(chǎng)有限元仿

7、真與分析,3.3 平面磨削條件,14/35,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,,,,15/35,第三部分：磨削溫度場(chǎng)有限元仿真與分析,16/35,第三部分：磨削溫度場(chǎng)有限元仿真與分析,17/35,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，工件的表層溫度都將升高。原因分析：磨削深度的增加，同時(shí)刻磨粒數(shù)量大幅上升，增加了摩擦和切削次數(shù)，所消耗的機(jī)械能更多，總熱量加大，導(dǎo)致溫度增加。,18/3

8、5,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轉(zhuǎn)速成正比，線性關(guān)系。原因分析：在單位面積內(nèi)，砂輪轉(zhuǎn)速的上升導(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。,19/35,第三部分：磨削溫度場(chǎng)有限元仿真與分析,結(jié)果表明：溫度場(chǎng)基本保持幅度很小的上下震動(dòng)。結(jié)果分析：在上升的區(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

9、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。,20/35,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,21/35,第四部分：磨削殘余應(yīng)力有限元仿真與分析,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。,工件冷卻后的溫度場(chǎng)，最高溫度才 41℃，基

10、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。,22/35,第四部分：磨削殘余應(yīng)力有限元仿真與分析,,殘余應(yīng)力云圖,仿真結(jié)果：前者結(jié)果是垂直殘余應(yīng)力，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 分析：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，因此表現(xiàn)為殘余壓應(yīng)力。,23/35,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

11、,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。分析：沿深度方向殘余應(yīng)力逐漸降低。磨削過(guò)程中首先表現(xiàn)為拉應(yīng)力，磨削后表現(xiàn)為壓應(yīng)力,24/35,第四部分：磨削殘余應(yīng)力有限元仿真與分析,磨削深度對(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)程中的加工深度呈正相關(guān)關(guān)系，且垂直方向的殘余壓應(yīng)力大于平行方向的殘余壓應(yīng)力。,25/35,第四部分：磨削殘余應(yīng)力有限元仿真與分析,砂輪轉(zhuǎn)速對(duì)殘

12、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。分析：,26/35,第四部分：磨削殘余應(yīng)力有限元仿真與分析,工件速度對(duì)殘余應(yīng)力影響,結(jié)論：材料表層主要是殘余壓應(yīng)力，正相關(guān)關(guān)系，分析：而加工工件的速度增大，摩擦力上升，溫度增加較小，壓應(yīng)力大于拉應(yīng)力。,27/35,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……,28

13、/35,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)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。,29/35,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

14、力信號(hào)導(dǎo)入matlab，導(dǎo)出結(jié)果。,30/35,第五部分：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,31/35,第五部分：實(shí)驗(yàn)研究,人工熱電偶的制作,鎳鉻絲(φ =0.25mm)與鎳硅絲，制作熱電偶,溫度的上升趨勢(shì)很快，在加工完畢后，溫度再緩慢的下降，同時(shí)變化的曲線上雜波起伏較小，,32/35,第五部分：實(shí)驗(yàn)研究,5.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果,33/35

15、,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),34/35,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