CL70车轮钢切削加工仿真与实验研究
发布时间：2020-12-17 01:34
车轮是重载列车走行部实现牵引与制动的关键部件之一。运行过程中的车轮踏面磨耗会导致重载列车运行性能下降,因此需要定期对踏面进行修型与维护。踏面修型主要采用基于车削加工的镟修工艺来完成,镟修质量对车辆的后期运行性能有重要影响,因此研究重载车轮钢的切削加工机理与特性具有一定的工程意义。本文对重载列车使用的CL70车轮钢切削成屑机理与微观组织演变等进行研究,具体研究内容如下:根据金属切削原理,并结合车轮镟修工艺技术,利用ANSYS/Ls-Dyna软件,建立三维正交切削有限元模型。根据切削仿真过程中的应力场、切削温度与切削力的变化规律,分析了 CL70车轮钢的切削成屑机理。基于单一变量原则设计仿真方案,分析了切削深度、切削速度及刀具前角对切削过程中的切削力和切削温度的影响。设计了 CL70钢车削加工正交实验与对比实验,依据测量的加工表面粗糙度数值,采用极差分析法,比较了切削速度、背吃刀量和进给量对表面粗糙度的影响大小顺序;基于单一变量原则,分析了车削用量对表面粗糙度的影响规律与切削速度对切屑形态的影响。利用扫描电子显微镜,观察分析了车削加工表面形变层的微观组织形貌演变规律,并以变形层厚度为指标,...
【文章来源】：大连交通大学辽宁省
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２．１材料滑移简图??Ｆｉｇ．?２．１?Ｓｋｅｔｃｈ?ｏｆ?ｍａｔｅｒｉａｌ?ｓｌｉｐ??除第一变形区外，还有两个变形区，三个变形区的位置关系如图２．２所示
第二章切削基本理论与热－力耦合建模??ｄ切＾／刀具??工件??图２．２切削简化模型??Ｆｉｇ．?２．２?Ｔｈｅ?ｍｏｄｅｌ?ｏｆ?ｃｕｔｔｉｎｇ?ｐｒｏｃｅｓｓ??在整个切削过程中三个变形区协同作用，三者同时进行并且互相影响。根据以上分??析可以认为，金属切削过程的实质是工件切削层在刀具前刀面的挤压作用之下，产生的??以材料滑移为主的强塑性变形过程。??２．１．２切削温度场机理??在金属切削过程中消耗的能量约有９５％？９８％会转化为热量，当切削塑性金属时，??由于弹性变形量很小，切削热的来源主要包括主切削区内材料的塑性变形功与第二、三??变形区中两个摩擦区域内的摩擦功｜５（）］。对应的切削热源位置分别为：剪切面热源、前刀??面－切屑摩擦区热源、后刀面－加工表面摩擦区热源。各热源产生的热量比例为：??（１）约５５％的热量来源于剪切面的塑性变形；??（２）约３７％的热量来源于切屑与前刀面之间的摩擦挤压；??（３）其余部分来源于加工表面与后刀面之间的摩擦挤压［５１］。??切削热的形成与传导关系可用方程（２．１）表示：??Ｑ?＝?Ｑ，ｆ?＋ＱＳ＋Ｑａｆ?＝?Ｑｄ，＋?Ｑｗ＋Ｑｃ＋?Ｑ，?（２．ｉ）??方程中：２为切削过程中产生的总切削热；込、＆／和＾＾分别为三个热源产生的热??量；山为由切屑带走的热量；０Ｗ为传入工件的热量；为込传入刀具的热量；２，．为传??入周围介质（空气、切削液等）的热量。??为直观描述切削热的产生区域和传导关系，将切削热的产生与传递路径以图２．３表??７］ｎ?〇??９??
?第二章切削基本理论与热－力耦合建模???力大小的因素主要有：工件材料、切削用量（切削深度与切削速度等）、刀具几何角度、??刀具材料等［５５）。??？－〒Ｉ—???Ｉ?■??▲???？??Ｆｆａ??Ｆｎａ??工件??图２．４切削力表现形式??Ｆｉｇ．?２．４?Ｍａｎｉｆｅｓｔａｔｉｏｎ?ｏｆ?ｃｕｔｔｉｎｇ?ｆｏｒｃｅ??２．２切削模型的建立??本节基于金属切削机理，借助有限元软件Ａｎｓｙｓ／Ｌｓ－Ｄｙｎａ建立ＣＬ７０车轮钢的三维??直角切削模型，为模型设置了基本条件并对其进行了有限元网格的划分。??２．２．１有限元软件概述??对ＣＬ７０车轮钢的切削仿真借助于有限元软件Ａｎｓｙｓ／Ｌｓ－Ｄｙｎａ进行。该软件主要应??用于工程动力学有限元仿真分析领域，其内置算法技术成熟，适用于机械加工制造、安??全与碰撞过程的模拟仿真，尤其适用于强塑性变形仿真分析领域。该软件的原理可简述??为：将塑性变形问题离散化，并根据虚功原理形成大量非线性方程组，基于软件内置动??力学算法原理，对方程组进行求解，得出相关节点的应力、温度、接触力等相关参数。??在该软件中，存在三种适用于金属切削大塑性变形研宄的非线性有限元描述方法：拉格??朗日有限元方法（Ｌａｇｒａｎｇｅ），欧拉有限兀方法（Ｅｕｌｅｒ）与任意拉格朗Ｈ－欧拉有限兀方??法（ＡＬＥ）。??１１??
本文编号：2921163
【文章来源】：大连交通大学辽宁省
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２．１材料滑移简图??Ｆｉｇ．?２．１?Ｓｋｅｔｃｈ?ｏｆ?ｍａｔｅｒｉａｌ?ｓｌｉｐ??除第一变形区外，还有两个变形区，三个变形区的位置关系如图２．２所示
第二章切削基本理论与热－力耦合建模??ｄ切＾／刀具??工件??图２．２切削简化模型??Ｆｉｇ．?２．２?Ｔｈｅ?ｍｏｄｅｌ?ｏｆ?ｃｕｔｔｉｎｇ?ｐｒｏｃｅｓｓ??在整个切削过程中三个变形区协同作用，三者同时进行并且互相影响。根据以上分??析可以认为，金属切削过程的实质是工件切削层在刀具前刀面的挤压作用之下，产生的??以材料滑移为主的强塑性变形过程。??２．１．２切削温度场机理??在金属切削过程中消耗的能量约有９５％？９８％会转化为热量，当切削塑性金属时，??由于弹性变形量很小，切削热的来源主要包括主切削区内材料的塑性变形功与第二、三??变形区中两个摩擦区域内的摩擦功｜５（）］。对应的切削热源位置分别为：剪切面热源、前刀??面－切屑摩擦区热源、后刀面－加工表面摩擦区热源。各热源产生的热量比例为：??（１）约５５％的热量来源于剪切面的塑性变形；??（２）约３７％的热量来源于切屑与前刀面之间的摩擦挤压；??（３）其余部分来源于加工表面与后刀面之间的摩擦挤压［５１］。??切削热的形成与传导关系可用方程（２．１）表示：??Ｑ?＝?Ｑ，ｆ?＋ＱＳ＋Ｑａｆ?＝?Ｑｄ，＋?Ｑｗ＋Ｑｃ＋?Ｑ，?（２．ｉ）??方程中：２为切削过程中产生的总切削热；込、＆／和＾＾分别为三个热源产生的热??量；山为由切屑带走的热量；０Ｗ为传入工件的热量；为込传入刀具的热量；２，．为传??入周围介质（空气、切削液等）的热量。??为直观描述切削热的产生区域和传导关系，将切削热的产生与传递路径以图２．３表??７］ｎ?〇??９??
?第二章切削基本理论与热－力耦合建模???力大小的因素主要有：工件材料、切削用量（切削深度与切削速度等）、刀具几何角度、??刀具材料等［５５）。??？－〒Ｉ—???Ｉ?■??▲???？??Ｆｆａ??Ｆｎａ??工件??图２．４切削力表现形式??Ｆｉｇ．?２．４?Ｍａｎｉｆｅｓｔａｔｉｏｎ?ｏｆ?ｃｕｔｔｉｎｇ?ｆｏｒｃｅ??２．２切削模型的建立??本节基于金属切削机理，借助有限元软件Ａｎｓｙｓ／Ｌｓ－Ｄｙｎａ建立ＣＬ７０车轮钢的三维??直角切削模型，为模型设置了基本条件并对其进行了有限元网格的划分。??２．２．１有限元软件概述??对ＣＬ７０车轮钢的切削仿真借助于有限元软件Ａｎｓｙｓ／Ｌｓ－Ｄｙｎａ进行。该软件主要应??用于工程动力学有限元仿真分析领域，其内置算法技术成熟，适用于机械加工制造、安??全与碰撞过程的模拟仿真，尤其适用于强塑性变形仿真分析领域。该软件的原理可简述??为：将塑性变形问题离散化，并根据虚功原理形成大量非线性方程组，基于软件内置动??力学算法原理，对方程组进行求解，得出相关节点的应力、温度、接触力等相关参数。??在该软件中，存在三种适用于金属切削大塑性变形研宄的非线性有限元描述方法：拉格??朗日有限元方法（Ｌａｇｒａｎｇｅ），欧拉有限兀方法（Ｅｕｌｅｒ）与任意拉格朗Ｈ－欧拉有限兀方??法（ＡＬＥ）。??１１??
本文编号：2921163
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