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18CrNiMo7-6合金钢外圆及缺口磨削仿真研究与试验验证

18CrNiMo7-6合金钢外圆及缺口磨削仿真研究与试验验证

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作者：吴少洋郑州大学

学位级别：硕士

随着时代的不断进步,我国的装备制造业得到了长足的发展。产品的加工制造方式也从最初的成形加工向精度高、质量好、寿命长的加工进行转变。磨削加工能够得到较高的加工精度以及较好的工件表面质量,目前已成为精密零件制造的主要加工手... 详细信息

随着时代的不断进步,我国的装备制造业得到了长足的发展。产品的加工制造方式也从最初的成形加工向精度高、质量好、寿命长的加工进行转变。磨削加工能够得到较高的加工精度以及较好的工件表面质量,目前已成为精密零件制造的主要加工手段。由于磨削过程是磨具表面众多磨粒对工件材料的去除过程,并且这些磨粒形状、尺寸以及位置分布均具有随机性,因此对磨削过程各种机理的研究、磨削加工规律的总结以及磨削结果的预测变得非常困难。得益于高性能计算机和软件技术的发展,数值仿真为深入理解磨削提供了强大的技术支持。通过仿真手段可以实现对磨削加工过程的深入研究。为研究18CrNiMo7-6合金钢磨削过程中磨削力、磨削热等变化情况,以及磨削工艺对磨削结果的影响,本文针对圆棒试样以及V型缺口疲劳试样的磨削过程进行了数值模拟。主要内容如下:(1)开展不同缺口试样准静态拉伸试验和有限元模拟、中低应变率下的拉伸试验、霍普金森拉杆(SHTB)试验以及不同温度下的圆棒拉伸试验,根据试验结果拟合标定了18CrNiMo7-6合金钢材料的Johnson-Cook(J-C)损伤模型参数,拟合优度表明所得损伤参数是可靠的。通过Taylor冲击试验与有限元模拟验证了本文所选J-C损伤模型的合理性以及模型参数的有效性。该部分内容为18CrNiMo7-6合金钢磨削仿真研究提供了参数依据。(2)基于实际外圆磨削过程建立了砂轮与工件的有限元模型,并将其简化为二维模型进行分析。研究了主要磨削工艺参数(砂轮速度、工件速度、磨削深度)与磨削力、磨削温度、工件表面粗糙度和工件表面残余应力的关系。并基于量纲分析方法结合数值模拟结果建立了相关的数学模型。经验证,模型预测结果与仿真结果最大误差不超过12%。模型预测与仿真模拟残余应力变化趋势与试验结果相一致。通过数学模型可以看出磨削力对磨削深度较为敏感,并且对磨削深度的敏感程度法向力要大于切向力。从仿真结果可以看出,随着磨削温度的升高,工件表面残余应力向残余拉应力方向增加,随着磨削力的增大,工件表面残余应力向残余压应力方向增加。(3)针对V型缺口疲劳试样的缺口磨削过程进行了数值模拟,基于实际砂轮形貌建立了磨粒形状、姿态和位置随机的砂轮有限元模型。所建立砂轮模型与实际砂轮表面形貌符合较好。通过单因素变量仿真计算分析了主要磨削工艺参数对磨削力、磨削温度和工件表面残余应力的影响。仿真后试样缺口处形貌与试验结果符合良好,仿真中缺口表面残余应力的变化趋势与试验结果相符。总体来看,仿真结果与试验结果具有较好的一致性。该工作为使用有限元方法研究磨削机理、控制加工质量以及对形状复杂零部件的磨削仿真模型建立提供了思路。

关键词： 18CrNiMo7-6合金钢 J-C损伤模型外圆磨削缺口磨削量纲分析有限元仿真

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