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    硕士论文-Cr12MoV模具钢磨削温度场及残余应力研究.doc

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    硕士论文-Cr12MoV模具钢磨削温度场及残余应力研究.doc

    Cr12MoV 模具钢磨削温度场及残余应力研究学位论文原创性声明本人郑重声明所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名 日期 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权湘潭大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名 日期 年 月 日导师签名 日期 年 月 日硕士学位论文摘 要磨削加工作为机械制造中提高产品精度、可靠性以及延长使用寿命的一种重要的加工工艺,广泛应用于各类制造业中。目前,随着高硬度、高强度、高耐磨性、高性能新型材料的大量使用,给磨削加工带来了更多新的挑战。由于磨削加工存在较高比磨削能,磨削过程中将导致工件磨削区温度过高,从而引起磨削工件表面产生烧伤、热应力-应变耦合作用的急剧变化将会导致磨削后工件残余应力的产生,引起产品的破坏。为了避免上述情况的产生,有必要对磨削温度和磨削后残余应力进行分析与讨论。本文选取 Cr12MoV 模具钢,采用数值仿真与实验分析相结合的方法对平面磨削进行研究,其主要工作如下(1)对磨削过程中的相关理论与计算进行了研究。以传热理论为基础对瞬态温度场磨削温度场进行分析,对影响磨削温度场模型的相关参数进行介绍,重点对磨削力、磨削热量分配比、磨削移动热源进行了研究,为后面进一步对磨削温度场及残余应力研究奠定了理论基础。(2)利用 ANSYS14.5 中 APDL 参数化设计语言,采用了矩形热源模型,对不同的磨削工况下磨削温度场进行 3D 有限元仿真,绘制了三组工艺参数对温度场影响曲线图。结果表明磨削温度随着磨削深度从 0.05mm 增加至 0.20mm、砂轮速度由 25r/s 提高到 40r/s 过程中,磨削区温度明显升高;工件速度由0.10m/s 提高到 0.30m/s 的过程中,温度场变化不明显。(3)利用热弹塑性有限元方法,忽略材料相变的影响,对 Cr12MoV 模具钢平面磨削热力耦合场进行了分析,得到了磨削后工件的残余应力分布图。结果表明磨削表面同时存在残余压应力与拉应力,其大小随着磨削深度、工件速度的增大而增大,随着砂轮速度的增大却减小;沿着深度方向,残余压应力逐渐减小。(4)针对 Cr12MoV 模具钢的平面磨削进行了相关参数的实验,主要包括实验试件、实验磨床、磨削砂轮等的选取,同时针对热电偶测量温度原理进行了相关的介绍,测试了不同参数下磨削的磨削力和磨削温度,其结果与仿真误差较小,有效地验证了仿真的正确性。关键词 Cr12MoV 模具钢;磨削温度场;残余应力硕士学位论文IAbstractGrinding is a important processing technology in the machinery manufacturing,which can improve product accuracy, reliability and prolong the service life, widely used in the manufacturing of various kinds. At present, the extensive use of new materials of high hardness, high strength, high wear resistance and high performance bring more new challenges of grinding. Because of higher grinding energy in the grinding process, grinding process will lead to the workpiece temperature too high in the grinding zone, causing grinding workpiece surface burns. And drastic changes of coupled action of thermal stress and strain will lead to the generation of residual stresses of workpiece after grinding, causing the destruction of the product.In order to avoid the above situation, it is necessary to analyze and discusse the grinding temperature and residual stress after grinding. This article selects Cr12MoV die steel, and use numerical simulation and experimental analysis method of combining to study plane grinding. The main work is as follows (1)Firstly, the related theory and calculation in the process of grinding was explored and approximate analysis of grinding temperature field was done based on the theory of heat transfer, and introduced the related parameters of affecting grinding temperature field model. Besides, the grinding force is emphasized, grinding heat distribution ratio, grinding moving heat source, in order to lay a theoretical basis for later research on grinding temperature field simulation analysis of Cr12MoV die steel. (2)Secondly, different 3d finite element simulation was established for grinding temperature field under the different condition of grinding and made three sets of process parameters on the temperature field influence diagram by using APDL parametric design language and rectangular heat source model in ANSYS14.5. The results show that the grinding temperature with the grinding depth increased from 0.05 mm to 0.20 mm, grinding wheel speed increased from 25rad/s to 40rad/s in the process, the grinding zone temperature increased significantly; Temperature change is not obvious in the process of workpiece speed increased from 0.10 m/s to 0.30 m/s.(3)Then, thermal elastic-plastic finite element method was used and the influence of the phase change of material was ignored to analyze the Cr12MoV steel plane grinding thermal coupling field, and acquired the distribution of residual stresses after grinding workpiece. The results show that there are residual compressive stress and tensile stress in the grinding surface at the same time. Its size increases with the increase of grinding depth and workpiece speed, smaller with the increase of 硕士学位论文IIwheel speed; Along the depth direction, the residual compressive stress decreases.(4)Finally the experiment of the related parameters was carried on based on Cr12MoV steel plane grinding, including choosing experiment specimens, grinding machine, grinding wheel and so on. At the same time, the related introduction was carried on in view of the principle of thermocouple measuring temperature, and tested the grinding forces and grinding temperature under the different parameters. Its result is closed to the result of simulation. The experiment effectively verified the validity of the simulation.Keywords Cr12MoV die steel; Grinding temperature field; Residual stress 硕士学位论文III目 录第 1 章 绪论 ................................................................................................................11.1 研究背景及意义 ............................................................................................11.2 Cr12MoV 模具钢材料性能 ..........................................................................11.3 磨削温度场的数值模拟研究现状 ................................................................21.4 残余应力研究现状 ........................................................................................41.5 本论文的主要研究工作 ................................................................................5第 2 章 磨削温度场的理论分析与研究 ....................................................................72.1 传热学理论基础 ............................................................................................72.2.1 传热的基本方式 ..................................................................................72.2.2 热微分方程和三类边界条件 ..............................................................72.2 磨削温度 ........................................................................................................92.3 磨削力的研究 ..............................................................................................102.3.1 磨削力理论公式 ................................................................................112.3.2 磨削力经验公式 ................................................................................122.4 磨削热量分配比的理论研究 ......................................................................122.4.1 Rowe 模型 ..........................................................................................132.4.2 Ramanath 模型 ...................................................................................142.4.3 Lavine 模型 ........................................................................................142.5 两种理论热源模型 ......................................................................................152.5.1 均匀热源 ............................................................................................162.5.2 三角形热源 ........................................................................................172.5.3 热流分布对磨削区域的温度影响 ....................................................182.6 本章小结 ......................................................................................................19第 3 章 Cr12MoV 模具钢磨削温度场的有限元仿真 ............................................203.1 建立磨削温度场有限元方程 ......................................................................203.1.1 温度场的平衡方程 ............................................................................203.1.2 瞬态温度场的有限元模型 ................................................................223.2 Cr12MoV 模具钢平面磨削温度数值仿真 ................................................223.2.1 磨削模型假设 ....................................................................................233.2.2 磨削工况 ............................................................................................233.2.3 相关计算 ............................................................................................24硕士学位论文IV3.3 建立磨削热分析模型 ..................................................................................243.3.1 单元建立 ............................................................................................243.3.2 划分网格 ............................................................................................253.3.3 平面磨削温度场的加载和求解 ........................................................253.4 Cr12MoV 模具钢磨削温度场的仿真结果及后处理 ................................263.5 磨削工艺参数对 Cr12MoV 模具钢磨削温度的影响 ...............................273.5.1 磨削深度对温度场的影响 ................................................................273.5.2 砂轮速度对温度场的影响 ................................................................283.5.3 工件速度对温度场的影响 ................................................................293.6 本章小结 ......................................................................................................30第 4 章 磨削残余应力仿真与研究 ..........................................................................314.1 磨削残余应力基本理论 ..............................................................................314.1.1 应力应变原理 ....................................................................................314.1.2 材料本构关系 ....................................................................................324.2 残余应力影响因素 ......................................................................................334.2.1 热应力塑性变形效应 ........................................................................344.2.2 机械应力塑性变形效应 ....................................................................354.2.3 表面层金属相变影响 ........................................................................364.3 残余应力命令流与分析结果 ......................................................................364.3.1 命令流 ................................................................................................364.3.2 ANSYS 残余应力分析结果 .............................................................374.4 磨削工艺参数对残余应力的影响分析 ......................................................414.4.1 磨削深度对磨削残余应力的影响 ....................................................414.4.2 砂轮速度对磨削残余应力的影响 ....................................................424.4.3 工件速度对磨削残余应力的影响 ....................................................424.5 本章小结 ........................................................................................................43第 5 章 Cr12MoV 模具钢磨削温度场实验 ............................................................445.1 实验材料及其性能 ......................................................................................445.2 实验设备和条件 ..........................................................................................455.2.1 磨床 ....................................................................................................455.2.2 砂轮的选取和修整 ............................................................................465.2.3 磨削力的测量 ....................................................................................485.3 实验方案设计 ..............................................................................................495.4 磨削温度实验 ..............................................................................................50

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