轴面激光熔覆异材搭接试验及仿真研究

作     者：谢伟鹏 

作者单位：福建工程学院 

学位级别：硕士

导师姓名：许明三

授予年度：2023年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：旋转模切刀具 激光熔覆 W6Mo5Cr4V2 Ni60A-WC 有限元仿真 

摘      要：模切机中的刀刃作为切削加工的主要部位,切削时承受了很大的应力、冲击力和振动,为了防止崩刃和脆性断裂,刀刃主体必须要有足够的抗弯强度和冲击韧性。为解决模切刀刃在单种材料熔覆成形的情况下韧性与硬度不能兼备的问题。本文就W6Mo5Cr4V2与Ni60A-WC在40Cr基体上进行异材搭接试验及仿真研究,对制备“内柔外刚的梯度功能模切刀刃有一定的指导意义。首先,采用正交试验研究了工艺参数对W6Mo5Cr4V2与Ni60A-WC熔覆层单道形貌匹配误差的影响,研究发现当工艺参数组合为:扫描速度5mm/s、抬升量11mm、载粉气流量18L/min、送粉电压26V时两种材料单道熔覆层截面匹配误差最小。通过单因素试验发现当激光功率在1800W～2200W时搭接熔覆层未产生未熔空隙及熔覆层翘曲、开裂等缺陷,成形质量最好。当搭接率为40%～50%时异材搭接熔覆层的平整度最高可达85.31%。在优化后的工艺参数下的搭接熔覆层显微硬度呈现梯度分布。W6Mo5Cr4V2、Ni60A-WC熔覆层平均摩擦系数分别为0.475、0.456。其次,在Ansys有限元仿真软件中建立了轴面异材搭接模型。对异材搭接过程进行顺序热力耦合分析。为了验证搭接熔覆数值模拟模型的精度,在激光金属沉积温度模型基础上推导了温升方程,对有限元模型进行验证得到最高温度误差范围为2.36%～3.86%;同时采用红外测温仪对有限元模型进行验证得到最高温度误差范围为1.04%～5.66%,结果表明有限元模型满足精度要求。最后,利用所建立的搭接熔覆层有限元模型研究了激光功率、搭接率及搭接顺序对温度场及应力场的影响规律。研究结果表明:第一道熔覆层的温度回升主要受到第二道熔覆层激光功率影响;第一道熔覆过程对第二道搭接的预热温度最高可达666.43K,并且搭接过程中对第一道熔覆层部分区域有重熔效应。同时随着第二道激光功率的增加,搭接顺序对第一道熔覆层的温度影响呈现减小的趋势,随着搭接率的增大第二道熔覆层最高温度先增大后减小,在搭接率为40%左右存在最大温度峰值。对搭接熔覆层各向应力进行分析,结果表明在熔覆层两种材料搭接熔覆层边缘轴向、环向应力均为拉应力;在搭接结合区径向应力及环向应力均为压应力,同时搭接区的各向应力都小于搭接涂层边缘区。