注塑机螺杆流固耦合应力分析及WC强化的实验研究

摘要

为获得满足实际生产寿命要求的高耐磨、耐腐蚀注塑机螺杆涂层材料，且涂层材料在复杂应力状态下不会发生开裂、脱落，本研究首先基于流固耦合的数值模拟计算方法，在ANSYS的集成仿真环境下分别模拟讨论了不同物料黏度、螺杆转速、螺杆材料，对螺杆特别是螺棱处的受力及应变的影响，然后在数值模拟的基础上，通过硬度、成分、宏观形貌、显微组织、磨损率、腐蚀速率等考察了分别在不同载荷和不同温度、浓度、腐蚀介质中，WC含量为25%、30%、35%、82%的热等静压烧结试样和WC含量为82%的超音速火焰喷涂Ni基合金涂层的耐摩擦磨损和耐腐蚀性能。 通过数值模拟计算发现，加工物料黏度越大，螺杆所受等效应力越大，应变也越大，最大等效应力为305.45MPa，位于螺杆与花键交界处，远小于螺杆材料的最大许应应力557MPa，满足强度要求，在入料口到出料口方向上，螺杆所受等效应力逐渐减小，螺棱顶面、背料面、迎料面所受平均压应力依次减小的，且在螺棱三个表面都是在各个面的中部位置所受压应力最大，当螺杆转速增大，螺棱背料面压应力增大，迎料面压应力减小，顶面压应力几乎不变，受螺杆自重影响，螺杆在机筒中主要的应变在竖直方向，即螺杆在机筒中为“上下振动”，而螺杆材料的变化对螺杆所受应力情况没有影响，螺杆材料杨氏弹性模量越大，螺杆应变越小，从螺棱根部往上，单元体等效应变量逐渐减小，即螺棱易开裂位置位于螺棱根部。 实验结果表明：试样的耐磨与耐腐蚀性能随着WC含量的增加而提高，小载荷下为切削剥层磨损，随着温度的增高和磨损的加剧，逐渐转化为磨粒磨损和氧化磨损，在较大载荷下表现为粘着剥层磨损，试样中粗大的WC晶粒可以提高试样耐磨性和硬度，但会使其耐腐蚀性和强度大大降低，因此粗大的WC晶粒是有害的，超音速火焰喷涂试样性能优于热等静压烧结试样，在还原性酸性环境下，试样的耐腐蚀性能主要取决于铬、钼两种元素的含量，铬含量增加会加剧腐蚀，而钼在还原性酸腐蚀介质下则会在试样表面钝化成膜，从而防止进一步的腐蚀，其局部腐蚀机理应为电偶腐蚀、晶间腐蚀共同作用。

目录

声明

致谢

变量注释表

1 绪论

1.1注塑成型发展现状

1.2注塑机系统及螺杆结构简介

1.2.1 注塑机系统组成

1.2.2 注塑机工艺过程

1.2.3 注塑机塑化过程及螺杆结构简介

1.3注塑机螺杆及螺杆涂层研究现状

1.4注塑机螺杆流固耦合研究进展

1.4.1 流固耦合概述

1.4.2 注塑机螺杆流固耦合研究现状

1.5主要研究内容及研究思路

2 流固耦合计算模型及实验

2.1流体运动控制方程

2.2 结构分析方程

2.3 多重参考系模型

2.4物性参数及实验材料

（1）模拟加工物料

（2）螺杆材料

（3）实验材料

2.5.1 实验设备

2.5.2 实验方案

3 注塑机螺杆流固耦合模型

3.1螺杆流固耦合建模思路

3.2.1 几何模型

3.2.2 本构方程

3.2.3 网格划分

3.3载荷与边界条件

3.4计算模型可靠性分析

4 螺杆受力状态分析及应变预测

4.1.1 物料黏度影响螺杆应力场分析

4.1.2 物料黏度对螺棱侧面受力分析

4.1.3 物料黏度对螺杆应变的预测

4.2 螺杆转速影响

4.2.1 转速对螺杆应力场的影响

4.2.2 转速对螺棱面受力的影响

4.2.3 转速对螺杆应变的影响

4.3.1 螺杆材料与螺杆应力场分布的相关性

4.3.2 螺杆材料对螺棱面受力的影响

4.3.3 螺杆材料与螺杆应变的差异化分析

4.4 本章小结

5 超音速火焰喷涂与热等静压烧结 WC 合金涂层实验研究

5.1 试样的显微组织观察

5.2.1 试样的显微硬度

5.2.2 摩擦系数分析

5.2.3 磨损失重分析

5.2.4 磨损形貌与机理分析

5.3 WC合金涂层腐蚀性能

5.3.1 试样腐蚀失重分析

5.3.2 盐酸中腐蚀形貌与机理

5.3.3 混合酸中腐蚀形貌与机理

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

作者简历

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