GCr15钢平面磨削力仿真分析与实验研究

目的对不同磨削工艺参数下的平面磨削力进行预测,对磨削机理进行研究,进而控制磨削加工质量。方法考虑CBN砂轮表面磨粒形状的多样性、姿态的多样性和空间分布的随机性,建立CBN砂轮模型,对GCr15材料模型进行有限元砂轮磨削仿真。同时使用CBN砂轮,采用不同的工件进给速度对GCr15进行单因素平面磨削实验,使用三坐标测力仪测量不同磨削参数下的磨削力。结果建立的仿真砂轮模型的表面形貌与真实砂轮接近,仿真砂轮上的磨粒出刃高度均服从正态分布,与实际砂轮一致。对比随机多面体磨粒模型和真实CBN磨粒照片,两者形貌相似。磨削力实验和仿真结果表明,工件进给速度由3 m/min增大到18 m/min时,磨削力逐渐增大,仿真所得法向磨削力最大误差远小于切向磨削力。结论实验结果与仿真结果具有一致性,证明了砂轮磨削有限元仿真模型可用于磨削力预测。因为仿真中无法考虑实际砂轮尺寸和砂轮表面结合剂对磨削的影响,结果具有一定误差,仿真的准确性有待进一步提高。研究结果为使用有限元方法研究磨削机理和控制磨削加工质量提供了思路。

硬态车削对18CrNiMo7-6钢表面完整性影响研究

介绍了硬态车削淬硬钢表面粗糙度与表层残余应力研究现状。通过设计单因素试验,对硬态车削18CrNiMo7-6渗碳钢圆棒试样的三维表面粗糙度与表层残余应力进行分析,探究硬态车削工艺参数对淬硬钢表面完整性的影响规律。结果表明干式硬态车削18CrNiMo7-6渗碳钢可获得较好的表面三维粗糙度与残余压应力,残余应力沿深度方向分布表现为先增大至最大值后逐渐减小至稳定值。在硬态车削过程中,进给速度对工件表面完整性影响最大,切削速度影响次之,背吃刀量影响最小。

基于超声纳米表面改性的镁锂合金强化研究

为了得到超声纳米表面改性(UNSM)技术的工艺参数(静压力、移动速度和间距)对LA106镁锂合金表面性能指标(硬度、粗糙度和硬化层深度)的影响程度,采用显微硬度计和三维表面形貌测量系统分别测试LA106镁锂合金经UNSM处理后的显微硬度值和表面粗糙度;并结合显著性方法分析正交试验结果,利用多目标优化设计方法研究了不同UNSM工艺参数下的综合强化效果。结果表明:UNSM工艺参数对LA106镁锂合金综合强化效果影响程度由大到小的顺序为静压力、间距、移动速度;经过多目标优化设计,通过直观分析得到了UNSM处理LA106镁锂合金工艺参数的最佳组合:静压力0.3 MPa,移动速度1500 mm/min,间距0.05 mm,利用UNSM技术强化LA106镁锂合金时,主要应考虑静压力的影响。

基于多晶体模型的18CrNiMo7-6合金钢本构参数确定

近年来考虑材料微结构不均匀性的晶粒几何模型和晶体塑性有限元方法备受关注。为了获得18CrNiMo7-6合金钢的本构参数,基于晶体塑性有限元方法对材料的晶体塑性参数进行了研究,采用晶体率相关硬化模型,基于多晶体有限元方法对晶体的塑性参数进行了敏感性分析,确定了参数变化的范围,并给出了一个代价函数,对有限元仿真结果进行处理,确定了一组最优的塑性参数组合。利用拉伸试验对计算结果进行了校准,结果表明模拟得到的应力-应变曲线和试验曲线吻合得较好,可为后续微结构引起的不均匀应力集中分析提供必要的材料参数,具有重要的实际意义。

18CrNiMo7-6钢渗碳仿真扩散系数模型的研究

基于DEFORM-HT软件,对18CrNiMo7-6钢的气体渗碳工艺进行数值模拟:研究了两种不同的扩散系数模型对合金钢渗碳过程的影响,即考虑温度、碳原子的模型D(T,C)和考虑温度、合金元素、碳原子的模型D(T,M,C);并对3种不同渗碳层深度的渗碳工艺进行数值仿真以及试验验证。用机械剥层法测量3种渗碳工艺的碳含量沿深度的分布,并与仿真结果进行对比,发现采用D(T,M,C)模型的仿真精确度更高;但当渗层深度达到4 mm时,表层碳含量的试验结果与模拟相差较大,这是由于Cr、Mo等元素在长时间渗碳过程中与碳原子结合形成大量的碳化物,进而降低了碳原子的扩散系数,同时也导致试样的表层碳含量达到1.0%,高于渗碳工艺最后一段的环境碳势0.8%。

18CrNiMo7-6钢渗碳淬火过程的数值研究

针对优质表面渗碳钢18CrNiMo7-6,采用材料性能模拟软件JMatPro计算得到其各项热物性能参数及应力-应变数据。采用热处理软件DEFORM对18CrNiMo7-6材料的渗碳、淬火工艺进行数值模拟,研究了试样930℃渗碳、840℃保温淬火+200℃回火热处理工艺后的渗碳场、硬度场和组织场,并与试验结果进行对比。结果表明:仿真结果和试验结果基本一致,数值模型可靠,可为18CrNiMo7-6热处理工艺的研究提供参考。

18CrNiMo7-6钢高速外圆磨削的残余应力

为探究高速外圆磨削工艺对18CrNiMo7-6钢残余应力层分布的影响,使用陶瓷结合剂CBN砂轮进行高速磨削试验,对砂轮线速度v_(s)、工件线速度v_(w)、砂轮径向进给速度v_(fr)和砂轮粒度等工艺参数进行了单因素试验分析;设计制作了圆柱工件外圆面辅助剖层夹具,采用X射线衍射仪对工件应力分布进行检测。研究结果表明:高速磨削工艺为工件表面引入残余压应力,工件表面残余压应力随vs的提高小幅增大,v_(w)和v_(fr)对工件表面残余应力的影响规律不明显;X、Y方向的残余应力分布趋势基本一致,但Y方向的应力略大;v_(fr)对残余应力分布影响较大,应力影响层深达到100~150μm,应力分布中出现残余拉应力;v_(s)对残余应力分布的影响小于v_(fr)的影响,60 m/s时的残余应力呈“塔”形分布;v_(w)没有明显影响规律;230/270粒度的砂轮对残余应力分布影响较大,应力影响层深为80~100μm,120/140、W20粒度的砂轮影响较为接近;辅助剖层夹具有效提高了圆柱工件残余应力的检测精度和效率,检测效率提高一倍以上。

TBM滚刀刀圈用DC53钢淬火工艺的研究

制定了TBM(隧道掘进机)刀圈用DC53钢的热处理工艺:550℃×30 min、850℃×30 min预热→970/1000/1030/1060/1090℃×20 min淬火(60℃油淬)→550℃×1 h×2次回火。对比分析了不同温度淬火后的金相组织、晶粒度、硬度以及回火后的冲击韧度。结果表明,在1000~1030℃淬火,淬火马氏体组织较好,质量较高,综合力学性能最佳。结果能为DC53钢刀圈淬火工艺的优化提供参考。

18CrNiMo7-6渗碳钢相变塑性系数对残余应力的影响

目的研究碳含量对相变塑性系数的影响,并精确仿真18CrNiMo7-6钢渗碳淬火后的残余应力分布。方法制备四种不同碳含量(0.21%、0.49%、0.65%、0.87%)的全渗透试样,分别进行不同应力水平下的膨胀试验,测得不同碳含量试样的相变塑性系数K,并输入DEFORM-HT中进行残余应力仿真,同时对f16.72 mm的圆柱试样进行渗碳淬火试验,以验证残余应力模拟的准确性。结果前三种碳含量下马氏体相变动力学参数α变化不大。基于此,提供了一种便于计算高碳含量试样不完整膨胀曲线的K值的方法,计算四种不同碳含量试样的相变塑性系数分别为7.16×10–5、5.45×10–5、5.53×10–5、6.01×10–5MPa–1。分别采用不考虑相变塑性即K=0MPa–1、取为基体值即K=7.16×10–5MPa–1和试验测得与碳含量相关的相变塑性系数进行残余应力仿真,其中采用试验测得相变塑性系数仿真结果与实测的残余应力吻合度最高,残余压应力从表面到心部呈现先增大后减小的趋势。结论经渗碳淬火后的试样表层存在碳梯度,不同碳含量下影响相变塑性系数数值的主导机制不同,导致相变塑性系数随着碳含量的增加而先降低后升高,且其对18CrNiMo7-6钢渗碳淬火后残余应力分布的影响显著。

基于静态加载和CEL的纯水射流冲击压力有限元分析

静态加载和耦合欧拉-拉格朗日算法(CEL)被广泛用于纯水射流冲击强化的研究。为对比分析2种仿真方法,运用ABAQUS有限元分析软件分别建立其纯水射流冲击强化模型,获取能量历程变化、冲击压力作用的动态过程规律。将冲击压力仿真结果与理论结果、实验结果进行对比,结果表明:2种仿真模型的结果均与理论结果相吻合,而CEL法与实验结果吻合程度更高。所得结论可以为探究纯水射流冲击强化提供一定的参考。

金刚石滚轮修整对18CrNiMo7-6钢磨削残余应力影响

为了探究金刚石滚轮修整参数对18CrNiMo7-6齿轮钢外圆磨削表面残余应力的影响,采用烧结和电镀两种金刚石滚轮对陶瓷结合剂棕刚玉砂轮进行了修整试验。通过对磨削后表面残余应力的检测和金刚石滚轮修整机理的分析,探究了修整进给量、轴向进给速度、修整速比对残余应力的影响。结果表明:外圆磨削表面残余压应力值随着修整进给量、轴向进给速度、修整速比的增大而增大;在相同的修整参数和磨削状况下,使用电镀金刚石滚轮修整的砂轮磨削表面残余压应力值大于使用烧结金刚石滚轮修整的砂轮。其结论对于18CrNiMo7-6钢外圆磨削时砂轮修整工艺参数选择具有指导作用。

研磨工艺对18CrNiMo7-6钢表面粗糙度和残余应力的影响

目的探究研磨工艺参数对18CrNiMo7-6钢渗碳前后工件表面粗糙度和残余应力的影响规律,从而为降低研磨加工工件表面粗糙度,提高表面质量提供依据。方法分别采用三维表面轮廓仪和X射线残余应力分析仪对工件研磨前后的表面粗糙度和残余应力进行检测,通过单因素试验研究研磨垫粒度、研磨压力、研磨速度及研磨时间等研磨工艺参数对工件表面粗糙度和残余应力的影响规律。结果随着研磨垫粒度从400#到3000#,渗碳前后工件表面粗糙度值均减小,Ra可达15~17 nm。渗碳前后工件表面残余应力值均增大,渗碳前表面表现为残余压应力,渗碳后表面可由较大的残余压应力升至残余拉应力。当研磨垫粒度为400#时,渗碳前后工件残余应力分别为–506.54 MPa和–587.29 MPa。研磨垫粒度为800#时,随着研磨压力、研磨速度及研磨时间的增大,渗碳前后工件表面粗糙度值均减小,且表面残余压应力值增大。结论相同研磨条件下,渗碳后工件的表面粗糙度普遍小于基体件,而渗碳件的表面残余应力普遍大于基体件。18CrNiMo7-6钢渗碳后,硬度、耐磨性得到极大提高,其研磨过程中塑性变形程度减弱是导致上述现象的重要原因。

喷丸工艺对DC53钢表面完整性的影响试验研究

为了探究喷丸角度、喷丸压力等喷丸工艺参数对DC53钢表面完整性的影响,通过试验研究了不同喷丸角度、喷丸压力对DC53钢表层残余应力场分布及硬度场分布的影响规律,同时分析了喷丸后的表面形貌及喷丸工艺参数对表面粗糙度的影响。结果表明:喷丸后DC53钢引入了一定深度的残余压应力层,残余压应力随深度的增加呈现“U”型分布,当喷丸压力为0.5 MPa,喷丸角度为90°时,最大残余压应力趋于稳定在约1075 MPa,残余压应力层深度大约为410μm;喷丸后DC53钢的表层硬度值及硬化层深度均有明显增大,当喷丸角度为90°,喷丸压力为0.55 MPa时,表面硬度可由58.3 HRC提高至62.4 HRC,并形成了约330μm厚的硬化层;喷丸后表面形貌发生明显变化,相较于原始试样,随着喷丸角度与喷丸压力的增大,表面粗糙度值先减小再增大。研究结果可为DC53钢喷丸工艺参数的合理选择提供参考依据。

18CrNiMo7-6钢研抛工艺试验研究

探究研抛工艺参数对工件材料去除率和表面粗糙度的影响。以砂纸和金刚石喷雾抛光剂为研抛介质,通过正交试验研究砂纸细度、研抛压力、研抛速度、研抛时间对18CrNiMo7-6工件材料去除率和表面粗糙度的影响。采用三维形貌仪、千分尺、电子天平和超景深显微镜对18CrNiMo7-6工件的表面粗糙度、厚度、质量和表面形貌进行测量分析,以材料去除率和表面粗糙度为评价指标,得到最佳的研抛工艺参数组合。在最佳工艺参数组合下,砂纸研磨工件的材料去除率为0.86μm/min,表面粗糙度为Ra0.048μm,金刚石抛光剂抛光后工件表面粗糙度为Ra0.024μm。砂纸研磨最佳工艺参数为:砂纸细度800#,研磨压力0.2MPa,研磨速度30rpm,研磨时间30min。抛光最佳工艺参数为:抛光压力0.2MPa,抛光速度30rpm,抛光时间15min。

6H-SiC单晶片划痕形貌与残余应力研究

为了研究6H-SiC单晶片在(0001)晶面C面划擦过程中材料的损伤机理,首先通过微纳米划痕系统划擦单晶片,得到不同载荷作用下沿不同晶向的划痕,再通过摩擦力传感器、显微镜以及激光Raman光谱检测不同晶向划痕的摩擦系数、表面形貌以及残余应力。结果表明:6H-Si C单晶片沿不同晶向划擦后的摩擦系数基本稳定在0.185~0.240;单晶片在不同载荷作用下的划擦过程中沿[1210]晶向出现了不同程度的损伤,随着载荷的增加单晶片从塑性去除逐渐转变为脆性去除,划痕中心的凹陷与两侧堆积现象逐渐加剧;当划痕加载力小于10.7 N时,材料处于塑性去除模式,残余应力主要呈现残余压应力,局部有较小的残余拉应力;当划痕加载力大于10.7N时,材料从塑性去除向脆性去除转变,在14.8N时转变为脆性去除模式,划痕底部残余拉应力逐渐增大,以残余拉应力为主,但在划痕两侧堆积处呈现较大残余压应力。该研究可为6H-SiC单晶片精密超精密研磨加工损伤机理的研究提供理论支持。