齿轮成形磨削加工热力耦合数值仿真研究

齿轮成形磨削加工为齿轮精加工工艺,在高速成形磨削加工过程中,会产生大量的热。一方面这些磨削热会在齿轮表面产生较高的温度,容易引起工件表面烧伤;另一方面磨削热会在工件表层产生梯度变化较大的温度场,从而形成磨削残余应力,造成工件表层金相组织变化,既会影响齿轮磨削加工的精度,也会影响齿轮使用的寿命。文章借助工程分析软件Abaqus和Matlab,基于磨削移动热源理论和三角形热源分布模型,通过磨削接触长度计算,建立了齿轮成形磨削三维温度场仿真模型;利用热-力耦合分析方法,得到齿轮磨削热应力和应变的数值仿真云图,实现齿轮成形磨削加工温度场及热变形的精确分析,对提高齿轮成形磨削加工精度具有一定的理论意义。     

基于热-力耦合磨削表层残余应力的仿真分析

为研究磨削后工件表面残余应力的分布特征需要先进行磨削区温度场的分析.通过建立磨削区温度场的数学模型和传热模型,应用ANSYS分析不同磨削参数对磨削区温度场的影响,仿真结果表明磨削深度对最高温度的影响最大.结合磨削过程中产生的磨削力,用APDL程序对磨削区的热-力耦合场进行ANSYS分析,获得工件在恢复室温时磨削残余应力大小及分布状态,揭示热-力耦合情况下对磨削表面残余应力形成的影响机制.通过残余应力试验对比试验结果和仿真结果,验证了仿真方法的有效性.     

拉伸装夹改变铣削残余应力的机理研究

基于平面应变的热弹塑性理论分析了拉伸装夹加工残余应力的形成原理,建立了拉伸装夹加工的应变叠加模型,认为残余应力由加工表面的塑性应变决定,而加工表面的塑性应变是加工过程引入的塑性应变和拉伸装夹产生的初始弹性应变之和. 开展了TC4钛合金的拉伸装夹铣削试验,铣削速度从38m/min到566m/min,拉伸装夹产生的初始应变从0和3.0‰, 铣削完成后,在铣削面内与拉伸方向呈0、30、90、120度的四个方向上分别测量了残余应力.试验结果表明在四个测量方向上拉伸装夹引起的残余应力变化量和产生的初始弹性应变一是致的,验证了应变叠加模型的正确性。     

强力砂带平面磨削工件表面残余应力的研究

分析了强力砂带平面磨削时工件表面残余应力产生的原因，通过分析磨削热的影响，找出了一个由磨削用量组成的亲折磨削参数，建立表面残余应力数学模型。经过实验验证，此模型能恰当地描述强力砂带平面磨削时工件表面残余应力分布的规律，并分析了各因素对模型中参数的影响，得出一些重要结论。     

小切深条件下磨削表面完整性变化机理

磨削表面强化后的残余应力及表面层硬度的改变是评价零件加工表面完整性的重要指标,并对零件的疲劳强度、耐磨损性能等影响显著.针对工程中更为多见的小切深磨削工艺过程,基于45钢试件磨削加工试验,以磨削变质层的金相组织、厚度、表面硬度和残余应力为研究对象,重点讨论了小切深条件下磨削表面变质层组织特征与形成机理.结果表明:在小切深干磨削条件下,工件表层存在残余拉应力,应力值随磨削深度的增加或工件速度的增加而减小;工件表面变质层厚度随磨削深度的增加或工件速度的减小而增大.试验结果说明,在小切深干磨削条件下,合理确定磨削用量及砂轮特性参数等,可使工件表层产生强化作用.     

磨削液参数对磨削强化表面微结构损伤的影响

针对磨削强化过程中磨削液对磨削力和磨削温度场的影响,建立非调质45钢的磨削强化过程的仿真模型,分析不同磨削液参数对工件表面温度场及加工后残余应力的影响.最后,选择不同磨削液参数对45钢工件进行平面磨削强化试验,研究加工后工件表面硬度值及其表面完整性参数.试验结果表明,工件表面微结构损伤与磨削深度有密切的联系,在磨削过程中加入一定量的磨削液能有效降低表面微结构损伤,但削弱了在工件表面上由磨削热产生的强化能力.     

小切深条件下磨削加工表面的温度场及表面完整性

基于矩形热源模型对小切深磨削加工表面温度场进行了建模及数值仿真.采用45钢作为工件材料,研究了磨削过程中不同磨削参数条件下工件表层温度场分布规律及表层金相组织特征.结果表明:在小切深条件下,磨削区的最高温度随着磨削深度的增加或者工件速度的降低而增大,磨削深度对表层最高温度的影响大于工件速度的影响;工件速度对表层温度梯度的影响大于磨削深度的影响,磨削区温度并未完全达到相变温度.     

自由变形结构弹塑性分析的新方法

考虑目前塑性力学实验与理论上存在的众多分歧,从材料弹塑性变形的本质入手,研究受力构件应力分布与变形间的关系.对于一个受力结构,其内应力引起应变,受力较小时应力仅引起弹性应变,εij=Gijklσkl.受力较大后,应力的作用不仅产生弹性应变,也产生塑性应变,εij=εije+εijp.在小变形、弹性变形与塑性变形不耦合情况下,结构中的应力与弹性应变仍呈线性关系而与不受塑性变形的影响.按照以上思想对梁、轴受力结构进行了弹塑性分析,得出在弹塑性下梁、轴内应力呈线性分布,卸载后结构内有残余的塑性变形,而无残余应力.新认识比原有认识更符合结构弹塑性变形实际情况,并具有普遍意义.     

考虑水-力耦合效应时软化围岩解析

基于线性Mohr-Coulomb(M-C)强度准则,改进考虑水-力耦合作用下应变软化围岩深埋圆形隧道的应力与位移求解的逐步位移法。该方法全面考虑水-力耦合作用下围岩强度和变形参数的劣化、剪胀角和塑性区内弹性应变的变化。基于平面应变的假设和改进的逐步位移法,将整个塑性区分为n个同心圆环,以弹塑性交界面处的应力应变作为塑性区的初始值,获得塑性区内的应力及位移解。同时,对水-力耦合作用下的强度及变形参数进行分析。研究结果表明:在考虑水-力耦合作用下,应力减小,收敛和塑性半径均变大,位移与塑性半径提高幅值分别为27.00%和3.17%。     

拉伸装夹改变铣削表面残余应力的机理

基于平面应变的热弹塑性理论,分析了拉伸装夹铣削过程中应力应变的变化过程,推导了装夹初始应变和最终铣削残余应力之间的关系,并提出了一个应变叠加模型,认为如果拉伸装夹产生正的初始弹性应变,就会使残余压应力增大,否则会使残余压应力减小.开展了TC4钛合金的拉伸装夹铣削试验,铣削速度为38～566m/min,拉伸装夹产生的初始应变为0～0.003.铣削完成后,分别测量了在铣削面内与拉伸装夹方向呈0°,30°,90°和120°角的4个方向上的残余应力.试验结果表明,4个测量方向上拉伸装夹引起的残余应力变化量和产生的初始弹性应变是一致的.说明所提出的应变叠加模型是正确的.     

渗碳淬火齿轮磨削裂纹成因与防止措施

通过对磨削裂纹形成原因的分析,得出磨削裂纹的产生主要是工件不良组织形态在磨削热的作用下,残余应力与热应力相互作用的结果,并归纳出齿轮磨削裂纹产生的一些防止措施。     

随焊冲击碾压控制焊接应力变形防止热裂纹机理

为了解随焊冲击碾压法机理,用数值计算方法对冲击碾压轮引起薄壁结构焊缝金属塑性流变行为和应变场变化进行了分析.前轮对处于脆性温度区间的焊缝金属施加一个横向挤压塑性应变,减小甚至抵消致裂的拉伸应变,防止了焊接热裂纹的产生.后轮将焊缝金属的纵、横向压缩塑性变形充分碾展,减小了工件的残余变形和应力.实验结果证明随焊冲击碾压法能将平板薄壁试件纵向挠曲和横向收缩变形控制在常规焊接状态的1/10和1/5, 残余应力值也明显降低; 焊缝表面没有热裂纹,平整光滑.     

高弹性合金钢的微细磨削仿真

挠性接头刚性差,在微细磨削加工中易变形,其精度难以控制.为了提高挠性接头的工作性能,重点研究了挠性接头细颈的磨削工艺参数及其表面质量.基于磨削加工、弹塑性力学和有限元法等理论,利用ABAQUS模拟单颗磨粒微细磨削高弹性合金钢,分析磨削工艺参数对磨削力、热的影响规律,并用专业金属切削软件Advantedge对残余应力进行仿真,研究工艺参数对残余应力的影响规律,为进一步提高细颈的磨削质量及挠性接头角刚度的稳定性奠定基础.研究结果表明,提高砂轮线速度,可以大大减小磨削过程对工件表面的热作用宽度和深度,有利于减小热损伤和提高表面质量.     

单粒磨削过程仿真与工件表面残余应力的离散度分析

基于有限元软件Deform-2D,建立了具有负前角特征的单颗磨粒磨削热力耦合有限元模型.仿真模拟了磨粒磨削工件时的温度场和应力场分布,分析了工件某点应力在磨削过程中的变化情况及该点最终形成的残余应力.结果表明:随着磨粒负前角的绝对值增加,工件表面残余应力值增大,当磨粒负前角由-15°到-35°时,工件表面残余应力差值达到284 MPa;当磨粒采用负前角为-15°、-25°和-35°时,工件表面产生的残余应力标准差达到145.76 MPa.该研究证明了磨粒几何角度的随机性或离散性是影响磨削工件表面残余应力离散度的重要原因.     

弹塑性平面应变固结问题的解耦分析

针对弹塑性平面应变固结问题提出了解耦的计算方法,基于数值建模方法建立了多路径的土的弹塑性本构模型,该模型能考虑塑性剪应变εpv 与体应变p交叉作用及应力路径的影响.将该模型引入弹塑性固结问题中,建立了相应的扩散方程.讨论了此类液-固耦合问题的解耦条件及对应的应力路径.推导了平面应变扩散方程的基本解,该基本解与固体域控制方程构成了半数值半解析求解体系,编制了有限元程序,计算了一个典型平面应变固结沉降算例.对比分析表明该方法能有效地简化计算,能较好反映应力路径对固结的影响.     

深部巷道围岩热-固耦合条件下的变形破坏数值分析

为研究深部巷道围岩热-固耦合条件下的变形破坏特征,根据深部巷道围岩体稳态温度场模型,得出了热-固耦合条件下深部巷道围岩体应力场、位移场及塑性圈半径的解析解,总结了热应力作用下围岩变形破坏的影响因素。借助Comsol Multiphysics多物理场耦合仿真软件对深部巷道围岩进行热-固耦合数值模拟,并将岩石力学参数与温度的关系引入模拟计算,分析了热应力、支护阻力对围岩变形破坏的影响规律。仿真结果显示,围岩热应力场分布呈非线性变化,浅部应力梯度大,深部应力梯度小;当巷内温度低于原岩温度时,热应力为压应力;随原岩温度升高,径向卸压范围及切向应力集中范围扩大,围岩塑性圈宽度和径向位移值有所增大;随巷内支护阻力提高,围岩塑性圈宽度和径向位移值则有所减小。现场试验发现,巷道围岩热应力场、应力场及位移场计算结果与实测结果吻合较好。     

小切深磨削表面微结构损伤机理及影响

针对小切深磨削条件下工件表面微结构损伤,理论分析了磨削残余应力与磨削微裂纹之间的关系;运用有限元仿真分析法,获得不同磨削条件下45钢工件表面残余应力的数值及其分布云图,并分析不同磨削深度和冷却条件对其磨削残余应力的影响.最后基于不同的磨削条件,对45钢试件进行磨削试验,通过测量不同试件的表面残余应力,验证仿真结果的正确性;同时,通过观测不同磨削参数下的试件表面SEM图,研究不同磨削表面的微结构损伤.试验结果表明,采用适当的磨削参数和条件可以有效减少和避免磨削表面微结构损伤.     

减振器活塞杆高频感应淬火的有限元分析

通过理论分析建立了活塞杆高频感应淬火的计算模型，并用有限元法进行了电磁场、热场与残余应力场的耦合计算．由于活塞杆表面淬火采用的是移动式高频感应淬火，计算模型中采用了移动坐标系来处理热场的分布；残余应力场的求解考虑了相变组织的体积效应，通过弹塑性场本构方程来求解．对感应淬火处理的活塞杆进行了沿深度方向的显微硬度试验和残余应力测试，温度与残余应力的计算结果与测试结果相吻合．     

有限差分法在铸造应力场模拟中的应用

基于单向热-力耦合模型,用有限差分法(FDM)进行温度场模拟,将所求得的温度结果作为体载荷施加到应力分析的三维模型中,采用不同差分格式对控制方程进行离散,计算应力应变,开发出FDM/FDM铸件热应力场数值模拟系统.该系统使得铸造应力应变分析与传热分析使用同一FD网格模型,避免了采用不同模型进行热-力耦合分析时的结点匹配问题,减小由此产生的单元温度载荷传递误差.采用实际铸件进行了浇注实验和残余应力测试试验,模拟结果与实际情况一致,表明FDM可以用来模拟铸件残余应力的形成和预测热裂产生的倾向.     

预应力淬硬磨削下强化层金相组织的转变机理

为了研究预应力淬硬磨削条件下工件表面强化层特征及金相组织形成变化机理,以45#钢为对象,进行了预应力淬硬磨削实验.获得了残余应力较小的表面强化层,测量得到了其表面硬度.通过观察表面强化层的金相组织特征,结合磨削温度场仿真,研究了磨削强化条件下预应力对马氏体等金相组织的影响机理.研究表明,磨削淬硬过程中产生的高温使45#钢的屈服强度大大降低,施加较小预应力会使材料发生塑性变形,由于塑性应变导致的母相强化和应变诱导相变两者的综合作用,该状态下预应力对马氏体相变的影响是先抑制再促进.