答辯ppt-cr12mov模具鋼磨削溫度場及殘余應力研究

1、Cr12MoV模具鋼磨削溫度場及殘余應力研究,,,1/34,,,,第五部分：磨削實驗研究,第四部分：磨削殘余應力有限元仿真與分析,第三部分：磨削溫度場的有限元仿真與分析,第二部分：磨削溫度場的理論分析,第一部分：研究背景和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,主要研究內(nèi)容,2/39,第一部分：研究背景和國內(nèi)外現(xiàn)狀,,,1.1 課題背景與研究意義,模具成為了先進制造業(yè)重要的工藝裝備，廣泛應用于機械、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。,,,,磨削過程中將產(chǎn)生表面熱燒傷、表面氧化、殘余應力以及斷裂等,,,,,通過對磨削工藝進行相關(guān)討論和設計，確定最佳的工藝方案。,,,,1.數(shù)值計算法2.實驗研究3.理論計算,3/39,第一部分：研究背景和國內(nèi)外現(xiàn)狀,1.2應用領(lǐng)域,4/39,第一部分：研究背景和國內(nèi)外現(xiàn)狀,1.3研究方法,研究方法以及問題,1.通過數(shù)值仿

3、真，對系統(tǒng)進行模擬，在不需要實際系統(tǒng)參與的情況下，利用事先建立好的仿真模型來模擬運行，并根據(jù)仿真結(jié)果來推斷、估計和評價某些主要參數(shù)和系統(tǒng)的性能,,數(shù)據(jù)量大，消耗工時，準確的實驗能夠驗證仿真理論的的正確性,5/39,第一部分：研究背景和國內(nèi)外現(xiàn)狀,1.4國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,6/39,第一部分：研究背景和國內(nèi)外現(xiàn)狀,1.5本論文研究的主要內(nèi)容,（1）根據(jù)熱傳導理論建立了熱微分方程，計算了熱量分配比，磨削有效長度、基于矩形移動熱源理論對進入工件的

4、熱流量進行了計算。（2）利用 ANSYS 的參數(shù)化語言APDL對Cr12MoV模具鋼磨削過程的溫度場求解進行編程，對多種磨削狀況進行了模擬，得到了多組磨削參數(shù)下溫度場的分布情況，然后對模擬的數(shù)據(jù)進行了討論和解析。（3）在熱-結(jié)構(gòu)耦合基本理論的基礎上，編制了熱應力和熱力耦合應力場數(shù)值計算的APDL程序,采用矩形熱源對殘余應力過程進行了仿真，對結(jié)果進行了討論（4）對 Cr12MoV模具鋼的平面磨削進行了實驗，測定了磨削力和磨削溫度，并

5、對結(jié)果進行了分析。,7/39,第二部分：磨削溫度場理論分析與研究,2.1 平面?zhèn)鳠崮Ｐ图僭O,,1.砂輪與工件熱源強度2.流入工件熱量比3.磨削力4.移動熱源,由圖可知：磨削過程中需要考慮一下因素：,8/39,第二部分：磨削溫度場理論分析與研究,2.2 邊界條件,,根據(jù)能量守恒定律可知，磨削區(qū)溫度場即是一個瞬態(tài)熱傳導問題,平面磨削區(qū)的熱傳導模型可近似看成平面移動熱源對工件熱傳導的問題，而整個模型看成是一個無內(nèi)熱源的瞬態(tài)三維傳熱問題，

6、在任一時間間隔內(nèi)，導入微元體的總熱量加上微元體內(nèi)熱源的生成熱等于導出微元體的總熱量加上微元體熱力學能的增量，得出導熱微分方程。在瞬態(tài)的求解域內(nèi)，瞬態(tài)溫度場的場變量在直角坐標中應滿足的微分方程如下：,9/39,第二部分：磨削溫度場理論分析與研究,2.2建立瞬態(tài)溫度場有限元方程,在模型加載過程中，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，加載對流換熱系數(shù)

7、來模擬磨削過程中空氣、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)量級遠小于實際工件高度。所以，我們可以將其忽略不計，從而我們就可以將其判斷為磨削層就在工件的實際表面上。所以和，共同組成了工件的邊界。我們再將邊界條件考慮進去，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。,理論公式,經(jīng)驗公式,,,11/39,第二部分：磨削溫度場理論分析與研究,2.4熱流分布的影響,,,,,在均布熱源中，當Peclet數(shù)L值較小時，φ角變化對表面無量綱溫度分布影響甚微；在L值較大時，φ角增大使得無量綱溫度的變化趨于平緩，φ角很大時表面溫度將呈均勻分布。,12/39,第二部分：磨削溫度場理論分析與研究,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）移動的傾向。在一般情況下（L<10），最高溫度點則基本處于中部，這與普通緩進給磨削的情況是吻合的。,13/39,第三部分：磨削溫度場有限元仿真與分析,,3.1 有限元模型的建立,選取 六面體八節(jié)點單Solid70單元，采用映射的辦法進行網(wǎng)格劃。同時用LESIZE命令來設置各線條上的節(jié)點數(shù)，將工件的磨削長度分為21等份，即在工件的磨削長度上取21個時間步，在每個時間步中再

10、分為多個子步。,14/39,第三部分：磨削溫度場有限元仿真與分析,3.3 平面磨削條件,15/39,第三部分：磨削溫度場有限元仿真與分析,3.3 平面磨削計算,,,,16/39,第三部分：磨削溫度場有限元仿真與分析,17/39,第三部分：磨削溫度場有限元仿真與分析,18/39,第三部分：磨削溫度場有限元仿真與分析,結(jié)果表明：磨削的深度越高，那么整個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，在同一時刻參加到過程當中的磨粒

11、數(shù)量大幅上升，進而不同材料之間的摩擦和切削增加，所消耗的機械能更多，進而產(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，在單位面積內(nèi)，砂輪速度的上升導致了單位時間內(nèi)的摩擦力做功增多，切削的變形能增加。與此同時，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：磨削溫度場有限元仿真與分析,溫度場基本保持幅度很小的上下震動。在

12、上升的區(qū)間里，隨著工件速度的增長，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，熱源的運動速度也加以增長，減少了熱量交換的時間，從而減少了熱量交換的量，達到了磨削溫度下降的效果。,21/39,第四部分：磨削殘余應力有限元仿真與分析,殘余應力產(chǎn)生原因,機械應力,金屬相變,溫度不均勻,22/39,第四部分：磨削殘余應力有限元仿真與分析,磨削終點截面溫度云圖，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。,磨削過程結(jié)束后，卸掉所有載荷，讓工件通過對流換熱冷卻到基本接近室溫，此時排除了溫度的作用，測得的應力即為最終的殘余應力。如圖4.6為工件冷卻后的溫度場，最高溫度才 41℃，基本接近室溫，因此可以認為該時刻工件表面的應力為最終殘余應力。,23/39,第四部分：磨削殘余應力有限元仿真與分析,,殘余應力,圖4.8和圖4.9是從不同方向?qū)饘俦韺又械臍堄鄳M行仿真，前者結(jié)果是垂直于加工

14、方向的殘余應力仿真，后者是平行于加工方向的殘余應力仿真，且兩者仿真的結(jié)果都冷卻后應力為殘余壓應力 ，在加工過程中，金屬表面受到機械效應的影響，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)生殘余壓應力；同時還受到熱效應的影響，在金屬表層加熱膨脹過程中，表層受到內(nèi)層的制約作用，為殘余壓應力，當金屬冷卻后，表層的收縮效應也受到內(nèi)層的制約作用，為殘余拉應力；在仿真過程中忽略金屬相變的影響，同時忽略了熱效應的影響，

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

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

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

18、系，工件速度越大，殘余壓應力越大；工件速度越小，殘余壓應力越小。而加工過程中的熱效應由于加工工件的速度增大，減小了摩擦熱和變形熱的產(chǎn)生時間，增大了熱量的擴散時間而逐漸減小，與機械效應相比，熱效應的影響較小，主要研究的是機械效應的影響。,28/39,第五部分：實驗研究,5.1實驗材料及性能,本文選用的工件長度為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進行加工……,29/39,第五部分：實驗研究,實驗設備和條件,本次實驗

19、選擇平面磨床 MGK7120×6，采用了瑞士生產(chǎn)Kistler9257BA 型測力儀器，通過三向動態(tài)的晶體壓電工作原理測量 Cr12MoV模具鋼在磨削加工過程中承受的磨削砂輪的作用力。,30/39,第五部分：實驗研究,磨削力信號,利用以上測力系統(tǒng)便可獲得Cr12MoV模具鋼在磨削過程中受到砂輪的作用力。圖 5.6 為測力傳感器傳出的Cr12MoV模具鋼在被加工時受到砂輪的作用力信號導入matlab，導出結(jié)果。,31/39,第五

20、部分：實驗研究,5.2溫度測量原理,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)過電信號放大器放大后，再由電信號采集器記錄,32/39,第五部分：實驗研究,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。為了降低對原有金屬工件的加工影響，應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)，同時為了杜絕兩種熱電偶金屬間的導電以及熱電偶和金屬工件間的導電效應，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確的反應金屬的溫度，同時在放置熱電偶過程中，應保證熱電偶的兩條金屬絲平行。,33/39,第五部分：實驗研究,5.3實驗結(jié)果,34/39,第五部分：實驗研究,,,,,,,,,,,研究了常見工藝參數(shù)對磨削溫度場的影響。,利用熱彈塑性有限元方法計算磨削表面殘余

22、應力，獲得磨削過后的應力曲線，并分析了各個參數(shù)對殘余應力的影響。,對Cr12MoV模具鋼的平面磨削進行了相關(guān)的實驗，獲得了磨削力與磨削溫度，有效驗證了仿真的有效性。,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)的矩形熱源模型對磨削溫度場進行了解析和數(shù)值仿真，而磨削區(qū)熱流分布非常復雜，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量磨削溫度，該方法會破壞工件的整體性，會影響所測得