活塞硅铝合金抗疲劳加工研究
发布时间：2021-03-29 18:55
与传统的钢铁等材料相比,硅铝合金具有质量轻、强度高、耐磨性好等优点,且原料成本较低,被广泛应用于发动机活塞的制造中。活塞工作时受到高温、高压气体的冲击,持续受到交变载荷的作用,对于力学性能和疲劳性能要求较高。目前,主要通过优化原料配比和结构设计来提高活塞的疲劳寿命,而加工表面完整性对于活塞疲劳寿命的影响机理和规律研究较少。本文通过实验与有限元仿真相结合,探究切削参数对活塞硅铝合金ZL109切削表面完整性和低周疲劳寿命的影响规律,进而对切削参数进行优选,提高其加工表面完整性从而实现抗疲劳加工。采用单因素切削实验并结合有限元数值仿真技术对硅铝合金ZL109的切削加工机理进行了详细研究。在ABAQUS软件中建立了车削加工和残余应力的仿真模型,成功模拟出了硅铝合金ZL109车削过程中的切削力和切削温度以及车削后的表面残余应力。通过车削实验对仿真结果进行验证,结果表明仿真中的切削力略小于实际车削实验中的切削力,而有限元模型仿真出的切削温度要高于实际的切削温度,车削表层残余应力的仿真结果与实验结果较为接近。仿真中获得的切削力和切削温度以及残余应力随切削参数的变化趋势也与实验结果相一致,从而证实了所...
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：93 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２－１?ＺＬ１０９显微组织??为了改善硅铝合金的性能，研究者们在其中添加了许多合金元素，如Ｃｕ、??Ｎｉ、Ｍｇ等，一方面这些这些合金元素在Ａ１基体中可以起到固溶强化的作用，另??
积稳定性［８２］。Ｍｇ元素在??Ａ１基体中具有较高的固溶性，对于提高硅铝合金的强度、耐腐蚀性以及耐热性??都有着积极的作用［８３］。正是这些合金元素的存在有效改善了?ＺＬ１０９的性能，使??其制造成的活塞能够经受住恶劣工况的考验。??２．２?ＺＬ１０９的力学性能??２．２．１光滑试件常温准静态拉伸实验??为了探究ＺＬ１０９铝合金在常温下的力学性能，根据国标ＧＢ／Ｔ?２２８．１—２０１０??中的有关要求开展了?ＺＬ１０９铝合金的光滑试件常温准静态拉伸实验，实验中所??用的拉伸试样如图２－２中所示，试样加工完成后沿试样轴向进行机械打磨抛光，??去除表面的加工缺陷。??＿ｒ＿＿Ｋ?＾」＿＿??－－?；；??Ｔ＂．?＾?，??Ｌ?５０???＾?ｍ?—??图２－２常温准静态拉伸实验试样尺寸??实验方案及测试结果见表２－１，采用Ｚｗｉｃｋ－Ｚ２５０型拉伸实验机对试样进行??拉伸，拉伸过程中保持应变率均为Ｏ．Ｏｌｓ—１，在相同条件下重复测试三组试样并对??实验结果取平均值，所有实验均在室温条件下进行。该型号实验机给出的数据是??载荷－位移关系，根据公式（２－１）将载荷－位移关系转化为对应的名义应力－应变关??系，试样在拉伸过程中断口附近的横截面积在不断减小，因此需要根据公式（２－??２）将名义应力－应变转化为真实应力－应变。??表２－１常温准静态拉伸实验方案及测试结果??应变率?失效屈服强度抗拉强度弹性模量伸长率断面收??（ｓ－１）?又条件（〇ｓ／ＭＰａ）?（ａｂ／ＭＰａ）?（Ｅ／ＧＰａ）?（５）?缩率（ｃｐ）??０．０１?室温拉断?３７２．２?４１８．３?６１．６?１５．８％?５２％￣
山东大学硕士学位论文??Ｇ＝?ＦＡ??＝＿?（２－１）??Ｗ／１，）?（２－２）??，真＝?／ｎ（ｌ?＋?ｓ?名）??经过测试，在常温下ＺＬ１０９铝合金的屈服强度ａｓ约为３７２．２ＭＰａ，抗拉强度??ａｂ约为４１８．３ＭＰａ，弹性模量Ｅ约为６１．６ＧＰａ，伸长率５约为１５．８％，断面收缩率??ｃｐ约为５２％。图２－３是实验测得的硅铝合金ＺＬ１０９的拉伸应力－应变曲线，其中??红色曲线代表名义应力－应变，蓝色曲线代表试样最终的真实应力－应变。从图中??可以看出ＺＬ１０９拉伸时应力－应变共出现了四种状态变化：ＡＢ段应力随应变急??剧上升，且斜率保持不变，说明试样只产生了弹性变形且该斜率值即为ＺＬ１０９的??弹性模量；ＢＣ段曲线变缓，表明ＺＬ１０９在这一阶段开始发生塑性变形，但从曲??线中可以看到，ＺＬ１０９铝合金拉伸时没有出现明显的屈服点；ＣＤ段应力超过了??ＺＬ１０９的抗拉强度，试样开始发生失效并伴随有明显的颈缩现象；Ｄ点以后试样??彻底失效，并最终在颈缩处发生断裂。??、ｃ??４００?一??＊?，！〇°?——真实应力－应变｜?＇??＝?——名义应力－应变?＼?＼??＾?Ｉ?Ｅ?＼??２００?Ｉ??１００??Ａ??〇???０．０３?０．０６?０．０９?０．?１２?０．１５?０．１８??应变Ｓ??图２－３?ＺＬ１０９常温应力？应变曲线??２．２．２离溫拉伸实验??除了机械载荷活塞在工作时还要承受热载荷的循环冲击，因此活塞材料必须??１８??
【参考文献】：
期刊论文
[1]柴油发动机活塞用铝基材料研究进展及失效分析[J]. 白亚平,刘萌萌,李建平,郭永春,杨忠,罗佳佳,成超. 表面技术. 2018(06)
[2]基于PCD刀具与硬质合金刀具的硅铝合金高速切削性能研究[J]. 肖忠跃,张为民,刘朝晖. 井冈山大学学报(自然科学版). 2017(05)
[3]车削ZL109铝合金PCD刀具的几何参数优化仿真[J]. 周知进,康红军. 湖南科技大学学报(自然科学版). 2017(02)
[4]材料动态性能对高速切削切屑形成的影响规律[J]. 王兵,刘战强. 中国科学:技术科学. 2016(01)
[5]表面完整性对高强度钢疲劳寿命影响的试验研究[J]. 刘彦臣,庞思勤,王西彬,解丽静. 兵工学报. 2013(06)
[6]镍基高温合金GH4169磨削参数对表面完整性影响[J]. 黄新春,张定华,姚倡锋,任敬心. 航空动力学报. 2013(03)
[7]高速铣削高强高硬钢加工表面残余应力研究[J]. 辛民,解丽静,王西彬,闰尚亮,杨洪建. 北京理工大学学报. 2010(01)
[8]车削加工残余应力分布规律的实验研究[J]. 张亦良,黄惠茹,李想. 北京工业大学学报. 2006(07)
[9]精密硬态切削过程金属软化效应与表面塑性侧流的研究[J]. 文东辉,郑力,刘献礼,严复钢. 金刚石与磨料磨具工程. 2003(04)
博士论文
[1]高温合金GH4169车削加工表面完整性及抗疲劳加工工艺研究[D]. 任小平.山东大学 2019
[2]基于长疲劳寿命的钛合金Ti6Al4V铣削加工表面完整性研究[D]. 杨东.山东大学 2017
[3]Al-Si-Cu-Mg-（RE）系铸造铝合金的疲劳行为及其损伤机理[D]. 车欣.沈阳工业大学 2011
[4]精密超薄切削加工机理及其表面质量的研究[D]. 翟元盛.哈尔滨工业大学 2008
硕士论文
[1]铝合金活塞裙加工残余应力及切削参数优化的研究[D]. 余娜.西安理工大学 2017
[2]铝合金活塞销孔加工工艺优化研究[D]. 宫兆超.山东大学 2015
[3]钛合金高速正交切削过程的数值模拟及热力学研究[D]. 孔虎星.中北大学 2012
[4]高速铣削参数对加工表面质量影响的初步研究[D]. 蒋克强.华中科技大学 2009
[5]硅铝合金切削加工性研究[D]. 袁跃峰.中北大学 2006
本文编号：3108017
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：93 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２－１?ＺＬ１０９显微组织??为了改善硅铝合金的性能，研究者们在其中添加了许多合金元素，如Ｃｕ、??Ｎｉ、Ｍｇ等，一方面这些这些合金元素在Ａ１基体中可以起到固溶强化的作用，另??
积稳定性［８２］。Ｍｇ元素在??Ａ１基体中具有较高的固溶性，对于提高硅铝合金的强度、耐腐蚀性以及耐热性??都有着积极的作用［８３］。正是这些合金元素的存在有效改善了?ＺＬ１０９的性能，使??其制造成的活塞能够经受住恶劣工况的考验。??２．２?ＺＬ１０９的力学性能??２．２．１光滑试件常温准静态拉伸实验??为了探究ＺＬ１０９铝合金在常温下的力学性能，根据国标ＧＢ／Ｔ?２２８．１—２０１０??中的有关要求开展了?ＺＬ１０９铝合金的光滑试件常温准静态拉伸实验，实验中所??用的拉伸试样如图２－２中所示，试样加工完成后沿试样轴向进行机械打磨抛光，??去除表面的加工缺陷。??＿ｒ＿＿Ｋ?＾」＿＿??－－?；；??Ｔ＂．?＾?，??Ｌ?５０???＾?ｍ?—??图２－２常温准静态拉伸实验试样尺寸??实验方案及测试结果见表２－１，采用Ｚｗｉｃｋ－Ｚ２５０型拉伸实验机对试样进行??拉伸，拉伸过程中保持应变率均为Ｏ．Ｏｌｓ—１，在相同条件下重复测试三组试样并对??实验结果取平均值，所有实验均在室温条件下进行。该型号实验机给出的数据是??载荷－位移关系，根据公式（２－１）将载荷－位移关系转化为对应的名义应力－应变关??系，试样在拉伸过程中断口附近的横截面积在不断减小，因此需要根据公式（２－??２）将名义应力－应变转化为真实应力－应变。??表２－１常温准静态拉伸实验方案及测试结果??应变率?失效屈服强度抗拉强度弹性模量伸长率断面收??（ｓ－１）?又条件（〇ｓ／ＭＰａ）?（ａｂ／ＭＰａ）?（Ｅ／ＧＰａ）?（５）?缩率（ｃｐ）??０．０１?室温拉断?３７２．２?４１８．３?６１．６?１５．８％?５２％￣
山东大学硕士学位论文??Ｇ＝?ＦＡ??＝＿?（２－１）??Ｗ／１，）?（２－２）??，真＝?／ｎ（ｌ?＋?ｓ?名）??经过测试，在常温下ＺＬ１０９铝合金的屈服强度ａｓ约为３７２．２ＭＰａ，抗拉强度??ａｂ约为４１８．３ＭＰａ，弹性模量Ｅ约为６１．６ＧＰａ，伸长率５约为１５．８％，断面收缩率??ｃｐ约为５２％。图２－３是实验测得的硅铝合金ＺＬ１０９的拉伸应力－应变曲线，其中??红色曲线代表名义应力－应变，蓝色曲线代表试样最终的真实应力－应变。从图中??可以看出ＺＬ１０９拉伸时应力－应变共出现了四种状态变化：ＡＢ段应力随应变急??剧上升，且斜率保持不变，说明试样只产生了弹性变形且该斜率值即为ＺＬ１０９的??弹性模量；ＢＣ段曲线变缓，表明ＺＬ１０９在这一阶段开始发生塑性变形，但从曲??线中可以看到，ＺＬ１０９铝合金拉伸时没有出现明显的屈服点；ＣＤ段应力超过了??ＺＬ１０９的抗拉强度，试样开始发生失效并伴随有明显的颈缩现象；Ｄ点以后试样??彻底失效，并最终在颈缩处发生断裂。??、ｃ??４００?一??＊?，！〇°?——真实应力－应变｜?＇??＝?——名义应力－应变?＼?＼??＾?Ｉ?Ｅ?＼??２００?Ｉ??１００??Ａ??〇???０．０３?０．０６?０．０９?０．?１２?０．１５?０．１８??应变Ｓ??图２－３?ＺＬ１０９常温应力？应变曲线??２．２．２离溫拉伸实验??除了机械载荷活塞在工作时还要承受热载荷的循环冲击，因此活塞材料必须??１８??
【参考文献】：
期刊论文
[1]柴油发动机活塞用铝基材料研究进展及失效分析[J]. 白亚平,刘萌萌,李建平,郭永春,杨忠,罗佳佳,成超. 表面技术. 2018(06)
[2]基于PCD刀具与硬质合金刀具的硅铝合金高速切削性能研究[J]. 肖忠跃,张为民,刘朝晖. 井冈山大学学报(自然科学版). 2017(05)
[3]车削ZL109铝合金PCD刀具的几何参数优化仿真[J]. 周知进,康红军. 湖南科技大学学报(自然科学版). 2017(02)
[4]材料动态性能对高速切削切屑形成的影响规律[J]. 王兵,刘战强. 中国科学:技术科学. 2016(01)
[5]表面完整性对高强度钢疲劳寿命影响的试验研究[J]. 刘彦臣,庞思勤,王西彬,解丽静. 兵工学报. 2013(06)
[6]镍基高温合金GH4169磨削参数对表面完整性影响[J]. 黄新春,张定华,姚倡锋,任敬心. 航空动力学报. 2013(03)
[7]高速铣削高强高硬钢加工表面残余应力研究[J]. 辛民,解丽静,王西彬,闰尚亮,杨洪建. 北京理工大学学报. 2010(01)
[8]车削加工残余应力分布规律的实验研究[J]. 张亦良,黄惠茹,李想. 北京工业大学学报. 2006(07)
[9]精密硬态切削过程金属软化效应与表面塑性侧流的研究[J]. 文东辉,郑力,刘献礼,严复钢. 金刚石与磨料磨具工程. 2003(04)
博士论文
[1]高温合金GH4169车削加工表面完整性及抗疲劳加工工艺研究[D]. 任小平.山东大学 2019
[2]基于长疲劳寿命的钛合金Ti6Al4V铣削加工表面完整性研究[D]. 杨东.山东大学 2017
[3]Al-Si-Cu-Mg-（RE）系铸造铝合金的疲劳行为及其损伤机理[D]. 车欣.沈阳工业大学 2011
[4]精密超薄切削加工机理及其表面质量的研究[D]. 翟元盛.哈尔滨工业大学 2008
硕士论文
[1]铝合金活塞裙加工残余应力及切削参数优化的研究[D]. 余娜.西安理工大学 2017
[2]铝合金活塞销孔加工工艺优化研究[D]. 宫兆超.山东大学 2015
[3]钛合金高速正交切削过程的数值模拟及热力学研究[D]. 孔虎星.中北大学 2012
[4]高速铣削参数对加工表面质量影响的初步研究[D]. 蒋克强.华中科技大学 2009
[5]硅铝合金切削加工性研究[D]. 袁跃峰.中北大学 2006
本文编号：3108017
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