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    答辩PPT-Cr12MoV模具钢磨削温度场及残余应力研究.ppt

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    答辩PPT-Cr12MoV模具钢磨削温度场及残余应力研究.ppt

    Cr12MoV模具钢磨削温度场及残余应力研究,,,1/34,,,,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,2/39,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,3/39,第一部分研究背景和国内外现状,1.2应用领域,4/39,第一部分研究背景和国内外现状,1.3研究方法,研究方法以及问题,1.通过数值仿真,对系统进行模拟,在不需要实际系统参与的情况下,利用事先建立好的仿真模型来模拟运行,并根据仿真结果来推断、估计和评价某些主要参数和系统的性能,,数据量大,消耗工时,准确的实验能够验证仿真理论的的正确性,5/39,第一部分研究背景和国内外现状,1.4国内外研究现状,6/39,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,(1)根据热传导理论建立了热微分方程,计算了热量分配比,磨削有效长度、基于矩形移动热源理论对进入工件的热流量进行了计算。 (2)利用 ANSYS 的参数化语言APDL对Cr12MoV模具钢磨削过程的温度场求解进行编程,对多种磨削状况进行了模拟,得到了多组磨削参数下温度场的分布情况,然后对模拟的数据进行了讨论和解析。 (3)在热-结构耦合基本理论的基础上,编制了热应力和热力耦合应力场数值计算的APDL程序,采用矩形热源对残余应力过程进行了仿真,对结果进行了讨论 (4)对 Cr12MoV模具钢的平面磨削进行了实验,测定了磨削力和磨削温度,并对结果进行了分析。,7/39,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,8/39,第二部分磨削温度场理论分析与研究,2.2 边界条件,,根据能量守恒定律可知,磨削区温度场即是一个瞬态热传导问题,平面磨削区的热传导模型可近似看成平面移动热源对工件热传导的问题,而整个模型看成是一个无内热源的瞬态三维传热问题,在任一时间间隔内,导入微元体的总热量加上微元体内热源的生成热等于导出微元体的总热量加上微元体热力学能的增量,得出导热微分方程。在瞬态的求解域内,瞬态温度场的场变量在直角坐标中应满足的微分方程如下,9/39,第二部分磨削温度场理论分析与研究,2.2建立瞬态温度场有限元方程,在模型加载过程中,首先求得磨削区的总热源,将除去传入砂轮部分后的剩余磨削热源作为移动热载荷施加到工件加工表面,并在工件传热边界表面上附着一层面单元,加载对流换热系数来模拟磨削过程中空气、切屑所带走的那部分磨削热量。在这篇文章所涉及的磨削中,砂轮深入工件的深度较浅,其数量级远小于实际工件高度。所以,我们可以将其忽略不计,从而我们就可以将其判断为磨削层就在工件的实际表面上。所以和,共同组成了工件的边界。我们再将边界条件考虑进去,就可以得到以下磨削瞬态有限元模型,10/39,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,,,11/39,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。,12/39,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。,13/39,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。,14/39,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,15/39,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,,,,16/39,第三部分磨削温度场有限元仿真与分析,17/39,第三部分磨削温度场有限元仿真与分析,18/39,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,那么整个磨削工件的表层温度都将升高。这是由于,伴随着磨削深度的增加,在同一时刻参加到过程当中的磨粒数量大幅上升,进而不同材料之间的摩擦和切削增加,所消耗的机械能更多,进而产生更多的热量附着工件表面,使其温度增加。,19/39,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的速度成正比。也就是说,在单位面积内,砂轮速度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。,20/39,第三部分磨削温度场有限元仿真与分析,温度场基本保持幅度很小的上下震动。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。,21/39,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,22/39,第四部分磨削残余应力有限元仿真与分析,磨削终点截面温度云图,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。,磨削过程结束后,卸掉所有载荷,让工件通过对流换热冷却到基本接近室温,此时排除了温度的作用,测得的应力即为最终的残余应力。如图4.6为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。,23/39,第四部分磨削残余应力有限元仿真与分析,,残余应力,图4.8和图4.9是从不同方向对金属表层中的残余应力进行仿真,前者结果是垂直于加工方向的残余应力仿真,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 ,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,受到金属内层的制约作用后产生残余压应力;同时还受到热效应的影响,在金属表层加热膨胀过程中,表层受到内层的制约作用,为残余压应力,当金属冷却后,表层的收缩效应也受到内层的制约作用,为残余拉应力;在仿真过程中忽略金属相变的影响,同时忽略了热效应的影响,只研究了机械效应对残余应力的影响。,24/39,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。从图可知磨削过程中由于受到温度的影响,工件发生热塑性变形,磨削过程中,受到温度和机械效应的影响,刚开始为应力为拉应力,在室温中进行冷却过程中,温度效应逐渐降低,最后x-tress和y-stress应力表现为残余压应力。图4.11等效应力曲线显示了磨削过后磨削的表面残余应力较大,沿深度方向残余应力逐渐降低。,25/39,第四部分磨削残余应力有限元仿真与分析,磨削参数对残余应力影响,在金属材料的加工中,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,加工的深度越大,残余压应力越大;加工的深度越小,残余压应力越小,同时红色的线低于蓝色的线表明垂直方向的残余压应力大于平行方向的残余压应力。由于磨削液的冷却作用,可在一定程度上抑制加工过程中热效应的影响,同时减缓热效应随加工深度加大而加大的变化趋势,所以在仿真过程中只考虑机械因素的影响。,26/39,第四部分磨削残余应力有限元仿真与分析,磨削参数对残余应力影响,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,砂轮的速度越大,残余压应力越小;转轮的速度越小,残余压应力越大。,27/39,第四部分磨削残余应力有限元仿真与分析,磨削参数对残余应力影响,材料表层主要是残余压应力,并且与磨削过程中的加工工件速度呈正相关关系,工件速度越大,残余压应力越大;工件速度越小,残余压应力越小。而加工过程中的热效应由于加工工件的速度增大,减小了摩擦热和变形热的产生时间,增大了热量的扩散时间而逐渐减小,与机械效应相比,热效应的影响较小,主要研究的是机械效应的影响。,28/39,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,29/39,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。,30/39,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。,31/39,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,32/39,第五部分实验研究,热电偶的制作,将待加工的金属平滑的分成两块,在其中一块上挖出0.5mm0.2mm的凹槽,将热电偶传感器放于凹槽内部,使得两块金属能紧密的重新结合在一起,不干扰金属的磨削加工。为了降低对原有金属工件的加工影响,应将热电偶传感器做的很小,在本文中使用直径为0.25mm的两种热电偶金属,将其放入工件的凹槽内,同时为了杜绝两种热电偶金属间的导电以及热电偶和金属工件间的导电效应,将三片厚度为10微米的云膜片置于三者之间,保证热电偶中的电流能准确的反应金属的温度,同时在放置热电偶过程中,应保证热电偶的两条金属丝平行。,33/39,第五部分实验研究,5.3实验结果,34/39,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,35/39,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。,36/39,Thank You ,恳请各位专家的批评指正,37/34,

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