难加工材料1Cr13磨削过程的有限元分析

摘要

磨削加工技术是先进制造技术中的重要领域,是现代机械制造业中实现精密加工、超精密加工最有效、应用最广的基本工艺技术。为了提高机械产品的性能和质量,许多机械零件采用了各种新型材料来制造。这些新型材料由于成分、组织复杂,机械、物理性能各异,对它们进行加工时,增添了各种困难,形成了所谓的难加工材料。
　　有限单元法作为一种极为有效的数值分析方法,广泛地应用于机械、流体、热传导等诸多领域。以前,由于计算机速度慢,计算成本高,有限元中分析域的离散和数据准备均以人工方式进行。随着计算机技术的进步,大规模、高精度已成为现代有限元技术的新趋势,人工离散化工作已不再适应这种发展。本文以经典的弹塑性力学、传热学以及热应力学为理论依据,利用大型的通用有限元软件ANSYS,对磨削温度场、热变形进行了仿真。
　　首先,以1Cr13耐热钢工件平面磨削为研究对象,进行合理的假设和简化,建立二维有限元模型。建立材料的温度与密度、比热容等各性能参数之间的对应关系表格,然后确定随温度变化而不同的材料模型应变硬化和热软化曲线;利用经验公式计算切向磨削力Ft的大小,得到热流密度大小为235769624.3(W/m),然后根据模型,换算成等效热流密度为279980880(W/m);采用ANSYS中的热分析功能对工件的温度场进行仿真,最高温度为643.116℃;然后采用热结构耦合分析功能对热变形进行了仿真,软件的实施操作采用命令流方式,然后采用热结构耦合分析功能对热变形进行了仿真,软件的实施操作采用命令流方式,得到工件表面的最大热应力值为582MPa,因而判定工件材料肯定会发生塑性变形;等效塑性应变为0.7283％,会产生残余应力,影响工件的加工精度和使用寿命。接着以薄壁圆环内孔磨削为研究对象,建模时候需要注意使用柱坐标,用命令流表示为:csys,1,然后重复平面磨削时候做的工作,从结果中提取数据和云图,讨论了工件表面温度场的分布情况和受力变形情况,得到圆环内孔磨削时内圆的最高温度为479.942℃,最大热应力为512Mpa。最后对比不同装夹方式下的仿真结果,优化了薄壁圆环内孔磨削的装夹方式。
　　本文将虚拟数字模拟技术引入到实际的加工过程当中,在很大程度上克服了数学模型难以描述、求解困难等问题,目的是为实际磨削过程提供有效的理论数据和云图,预测加工过程,加快这方面的研究进程。同时,仿真出来的结果,也可以起到优化磨削参数,改善加工工艺的作用。

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第1章 绪论

1.1 前言

1.2 磨削加工技术简介

1.3 有限元法在金属磨削研究中的国内外发展状况

1.4 本文意义及研究内容

第2章 难加工材料和有限元概述

2.1 难加工材料的介绍

2.2 有限元法的由来

2.3 有限元法的基本思想

2.4 有限元法的优越性

2.5 有限元的发展

2.6 有限元软件的介绍

2.7 本章小结

第3章 弹塑性力学及磨削热分析理论基础

3.1 弹塑性力学理论

3.2 磨削热分析理论

3.3 本章小结

第4章 平面磨削温度场及热变形的有限元分析

4.1 磨削热和磨削温度

4.2 平面磨削温度场的有限元仿真

4.3 平面磨削的热变形模拟及结果分析

4.4 本章小结

第5章 薄壁圆环磨削温度场及热变形的有限元分析

5.1 薄壁圆环内孔磨削温度场的有限元分析

5.2 圆环内孔磨削热变形模拟及结果分析

5.3 薄壁圆环采用三角卡盘夹持时的磨削过程仿真

5.4 本章小结

参考文献

致谢

附录A 平面磨削温度场分析命令流

附录B 平面磨削热变形分析命令流

附录C 薄壁圆环夹持盘面内孔磨削温度场分析命令流

附录D 薄壁圆环夹持盘面内孔磨削热变形命令流

附录E 薄壁圆环夹持外圆内孔磨削温度场分析命令流

附录F 薄壁圆环夹持外圆内孔磨削热变形命令流

附录G 攻读硕士学位期间发表的论文