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    答辩-Cr12MoV模具钢磨削温度场及残余应力研究.ppt

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    答辩-Cr12MoV模具钢磨削温度场及残余应力研究.ppt

    1/35,Cr12MoV模具钢磨削温度场及残余应力研究,,,姓名邱奕,学号201230071588,导师周里群 教授,2/35,,,,第五部分磨削实验研究,第四部分磨削残余应力有限元仿真与分析,第三部分磨削温度场的有限元仿真与分析,第二部分磨削温度场的理论分析,第一部分研究背景和国内外研究现状,主要研究内容,3/35,第一部分研究背景和国内外现状,,,1.1 课题背景与研究意义,模具成为了先进制造业重要的工艺装备,广泛应用于机械、电子、航空等领域,,,Cr12MoV模具钢具有较好的耐磨性、良好的韧性、较好的硬度用于制作模具。,,,,提高模具的精度、可靠性、加工表面质量,众多的加工方式中选择了磨削加工。,,,,磨削过程中将产生表面热烧伤、表面氧化、残余应力以及断裂等,,,,,通过对磨削工艺进行相关讨论和设计,确定最佳的工艺方案。,,,,1.数值计算法 2.实验研究 3.理论计算,4/35,第一部分研究背景和国内外现状,1.2应用领域,5/35,第一部分研究背景和国内外现状,1.4国内外研究现状,6/35,第一部分研究背景和国内外现状,1.5本论文研究的主要内容,,磨削热微分方程的建立、热分配比的确立、磨削有效长度计算、矩形移动热源强度计算。,,ANSYS 的APDL磨削温度场编程与结论分析,,ANSYS 的APDL磨削残余应力编程与结论分析,,实验设备选择和实验条件的确立,实验结果分析,7/35,第二部分磨削温度场理论分析与研究,2.1 平面传热模型假设,,1.砂轮与工件热源强度 2.流入工件热量比 3.磨削力 4.移动热源,由图可知磨削过程中需要考虑一下因素,8/35,第二部分磨削温度场理论分析与研究,2.2 边界条件与热微分方程,,瞬态热传导方程如下,,,第一类边 界条件室温,第二类边 界条件热源,,,9/35,第二部分磨削温度场理论分析与研究,2.3磨削力研究,,,,,,磨削力起源于工件与砂轮接触后引起的弹性变形、塑性变形、切屑形成以及磨粒和结合剂与工件表面之间的摩擦作用。是本次研究磨削有限元分析的重要基础。,理论公式,经验公式,,,10/35,第二部分磨削温度场理论分析与研究,2.4热流分布的影响,,,,,在均布热源中,当Peclet数L值较小时,φ角变化对表面无量纲温度分布影响甚微;在L值较大时,φ角增大使得无量纲温度的变化趋于平缓,φ角很大时表面温度将呈均匀分布。,11/35,第二部分磨削温度场理论分析与研究,2.4热流分布的影响,,,,,在三角形传热模型中,随着L值的增大,工件表面最高温度有向热源前部(X/L1)移动的倾向。在一般情况下(L10),最高温度点则基本处于中部,这与普通缓进给磨削的情况是吻合的。,12/35,第三部分磨削温度场有限元仿真与分析,,3.1 有限元模型的建立,选取六面体八节点单Solid70单元,采用映射的办法进行网格划。同时用LESIZE命令来设置各线条上的节点数,将工件的磨削长度分为21等份,即在工件的磨削长度上取21个时间步,在每个时间步中再分为多个子步。,13/35,第三部分磨削温度场有限元仿真与分析,3.3 平面磨削条件,14/35,第三部分磨削温度场有限元仿真与分析,3.3 平面磨削计算,,,,15/35,第三部分磨削温度场有限元仿真与分析,16/35,第三部分磨削温度场有限元仿真与分析,17/35,第三部分磨削温度场有限元仿真与分析,结果表明磨削的深度越高,工件的表层温度都将升高。 原因分析磨削深度的增加,同时刻磨粒数量大幅上升,增加了摩擦和切削次数,所消耗的机械能更多,总热量加大,导致温度增加。,18/35,第三部分磨削温度场有限元仿真与分析,结果表明磨削温度基本与砂轮转速成正比,线性关系。 原因分析在单位面积内,砂轮转速的上升导致了单位时间内的摩擦力做功增多,切削的变形能增加。与此同时,磨粒的摩擦加剧。所以,工件表面温度线性上升。,19/35,第三部分磨削温度场有限元仿真与分析,结果表明温度场基本保持幅度很小的上下震动。 结果分析在上升的区间里,随着工件速度的增长,磨削力做功增加,系统内能迅速上升,故磨削温度上升。在下降的区间里,热流密度跟成正比例增长,热源的运动速度也加以增长,减少了热量交换的时间,从而减少了热量交换的量,达到了磨削温度下降的效果。,20/35,第四部分磨削残余应力有限元仿真与分析,残余应力产生原因,机械应力,金属相变,温度不均匀,21/35,第四部分磨削残余应力有限元仿真与分析,截面温度云图,可知磨削温度在表面层有较大的温度,沿着深度方向上温度逐渐降低,且距离表面温度梯度较小,温度最高。,工件冷却后的温度场,最高温度才 41℃,基本接近室温,因此可以认为该时刻工件表面的应力为最终残余应力。,22/35,第四部分磨削残余应力有限元仿真与分析,,残余应力云图,仿真结果前者结果是垂直残余应力,后者是平行于加工方向的残余应力仿真, 且两者仿真的结果都冷却后应力为残余压应力 分析在加工过程中,金属表面受到机械效应的影响,由于加工工具的挤压和摩擦作用使得金属表面体积增大,因此表现为残余压应力。,23/35,第四部分磨削残余应力有限元仿真与分析,深度与残余应力的关系,图4.10为磨削终点处x,y方向应力随时间变化曲线图,图4.11为等效应力曲线随时间变化的曲线图。 分析沿深度方向残余应力逐渐降低。磨削过程中首先表现为拉应力,磨削后表现为压应力,24/35,第四部分磨削残余应力有限元仿真与分析,磨削深度对残余应力影响,材料表层主要是残余压应力,并且与磨削过程中的加工深度呈正相关关系,且垂直方向的残余压应力大于平行方向的残余压应力。,25/35,第四部分磨削残余应力有限元仿真与分析,砂轮转速对残余应力影响,材料表层主要是残余压应力,并且与磨削过程中的加工砂轮转速呈负相关关系。 分析,26/35,第四部分磨削残余应力有限元仿真与分析,工件速度对残余应力影响,结论材料表层主要是残余压应力,正相关关系, 分析而加工工件的速度增大,摩擦力上升,温度增加较小,压应力大于拉应力。,27/35,第五部分实验研究,5.1实验材料及性能,本文选用的工件长度为40毫米,高度为5毫米,宽度为4毫米,此加工步骤采用线切割机进行加工,28/35,第五部分实验研究,实验设备和条件,本次实验选择平面磨床 MGK71206,采用了瑞士生产Kistler9257BA 型测力仪器,通过三向动态的晶体压电工作原理测量 Cr12MoV模具钢在磨削加工过程中承受的磨削砂轮的作用力。,29/35,第五部分实验研究,磨削力信号,利用以上测力系统便可获得Cr12MoV模具钢在磨削过程中受到砂轮的作用力。图 5.6 为测力传感器传出的Cr12MoV模具钢在被加工时受到砂轮的作用力信号导入matlab,导出结果。,30/35,第五部分实验研究,5.2温度测量原理,电流的大小和温度的高低呈正相关关系,温度越高,产生的电流值越大,经过电信号放大器放大后,再由电信号采集器记录,31/35,第五部分实验研究,人工热电偶的制作,镍铬丝φ 0.25mm与镍硅丝,制作热电偶,温度的上升趋势很快,在加工完毕后,温度再缓慢的下降,同时变化的曲线上杂波起伏较小,,32/35,第五部分实验研究,5.3实验结果,33/35,第五部分实验研究,,,,,,,,,,,研究了常见工艺参数对磨削温度场的影响。,利用热弹塑性有限元方法计算磨削表面残余应力,获得磨削过后的应力曲线,并分析了各个参数对残余应力的影响。,对Cr12MoV模具钢的平面磨削进行了相关的实验,获得了磨削力与磨削温度,有效验证了仿真的有效性。,总结,34/35,第六部分总结与展望,展望,,,,,,,,,,,展望2,展望3,采用传统的矩形热源模型对磨削温度场进行了解析和数值仿真,而磨削区热流分布非常复杂,因此有必要继续深入研究磨削区热流分布情况,本文采用热电偶法测量磨削温度,该方法会破坏工件的整体性,会影响所测得温度的真实性,因此有必要采取更先进的测温方法及设备。,35/35,Thank You ,恳请各位专家的批评指正,

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