超声滚压表层特性的数值模拟及实验研究

发布时间：2017-05-11 19:03

  本文关键词：超声滚压表层特性的数值模拟及实验研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：超声滚压加工是一种新兴的表面纳米化加工技术,能显著强化金属材料表面的综合性能。本文先基于压电传感器原理先建立超声滚压加工动力监测系统,并以AISI304不锈钢为对象,分析了超声滚压加工过程中材料实际承受力的动态信息,得到了按正弦函数变化的动态冲击力的幅值,结果表明,静压力和振幅的提高,动态冲击力幅值也增加,静压力相比于振幅,影响更为显著。以此函数为加载方式,进行了超声滚压单点的有限元分析,得到了加工工作头的速度和位移的变化规律,据此通过特征线法求解工作头冲击AISI304不锈钢表面的弹塑性球面波方程,得到了球面波传播时任意微元介质点的应力应变状态和运动速度。其次,建立超声滚压的单点冲击模型,通过分析不同冲击次数下的弹塑性形变量及能量转换分布,根据能量不变性原理,定义求解了常用工艺参数下的效率及功率。通过仿真加工过程获取了工艺参数与强化特征参量之间的关系,结果表明:经超声滚压强化后,材料表层残余应力分布均匀,表现为压应力,其值在1080MPa左右。残余压应力随着深度的增加出现一个峰值,之后后递减变为拉应力,当深度继续向内部延伸时,拉应力一定程度上缓慢递减为0。残余压应力的最大值、深度及范围随着静压力、振幅及加工次数的增加而增加,随着车床主轴转速、进给速率的降低而增加。表面粗糙度与静压力、振幅呈现非线性关系,当静压力和振幅提高时,粗糙度先增加而后减少,而与主轴转速和进给速率表现出正相关性。可以通过最大等效塑性应变来评价超声滚压加工产生的加工硬化效果。最后,静压力作为超声滚压最重要的工艺参数之一,设置为单一变量,并对AISI304不锈钢进行了超声滚压处理,综合运用了扫描电子显微镜、触针式粗糙度仪、金相显微镜、显微硬度仪和X射线衍射分析仪等研究了超声滚压工艺过程中不同静压力对试样表面形貌、粗糙度、晶粒细化程度、随表层深度变化的显微硬度和残余应力分布规律。结果表明:静压力在300到800 N时能获取较好表面质量,超过800 N后会对表面产生损伤,出现细纹;通过XRD分析表明:静压力大晶粒细化程度就高,X衍射峰的宽化程度也变高;试样表层硬化层深度和硬度随静压力增大而增加,600 N时的硬化层比200 N时增加150μm,硬度增加35%;残余应力在表层表现为压应力,静压力增大时,应力值及深度也增加,当静压力增大到600 N时,最大残余应力由表层转移至材料内部
【关键词】：超声滚压 数值模拟 力学性能 动力响应
【学位授予单位】：江西理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG663
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第一章 绪论10-21
• 1.1 课题研究背景及意义10-11
• 1.2 超声滚压加工的研究综述11-19
• 1.2.1 超声强化技术国内外发展状况11-12
• 1.2.2 超声强化工艺和效果研究12-15
• 1.2.3 超声强化数值模拟15-16
• 1.2.4 基于纵扭振动的超声滚压运动学16-19
• 1.3 研究目的和研究内容19-21
• 1.3.1 研究目的19
• 1.3.2 研究内容19-21
• 第二章 超声滚压加工的动力学研究21-36
• 2.1 引言21
• 2.2 超声滚压动力检测及其原理21-24
• 2.3 滚压工作头的运动学分析24-30
• 2.3.1 显示分析控制方程24-25
• 2.3.2 单点冲击有限元模型25-27
• 2.3.3 工作头的运动速度27-30
• 2.4 304不锈钢的超声滚压动力学响应30-35
• 2.4.1 动力学模型概述30-31
• 2.4.2 弹性应力波31-34
• 2.4.3 塑性应力波34-35
• 2.5 本章小结35-36
• 第三章 超声滚压加工过程中的能量分布36-44
• 3.1 前言36
• 3.2 被处理件表层弹塑性历程的演变36-38
• 3.3 加工过程中的能量分布38-42
• 3.4 超声滚压的加工效率42-43
• 3.5 本章小结43-44
• 第四章 超声滚压加工的数值模拟44-59
• 4.1 引言44
• 4.2 超声滚压有限元模型的确定44-47
• 4.2.1 超声滚压覆盖率的确定45-47
• 4.3 表面粗糙度47-53
• 4.3.1 表面粗糙度的定义和表征47-48
• 4.3.2 表面轮廓的演变48-50
• 4.3.3 工艺参数对表面粗糙度的影响50-53
• 4.4 残余应力的分布53-57
• 4.4.1 数值模型的验证53-54
• 4.4.2 残余应力分布特点54-56
• 4.4.3 加工强度和密度对残余应力的影响56-57
• 4.5 表面加工硬化的估计57-58
• 4.6 本章小结58-59
• 第五章 静压力对超声滚压表层特性的试验研究59-69
• 5.0 引言59
• 5.1 试验材料和方法59-61
• 5.1.1 试验材料59
• 5.1.2 试验方法59-60
• 5.1.3 表征与分析60-61
• 5.2 结果与讨论61-68
• 5.2.1 静压力对表面形貌和粗糙度的影响61-62
• 5.2.2 静压力对表层微观组织的影响62-65
• 5.2.3 静压力对随表层深度力学性能的影响65-67
• 5.2.4 静压力对超声滚压产生的残余应力的影响67-68
• 5.3 本章小结68-69
• 第六章 全文总结与展望69-71
• 6.1 全文总结69-70
• 6.2 工作展望70-71
• 参考文献71-75
• 致谢75-76
• 攻读学位期间的研究成果76-77

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