磁性珩磨系统优化设计及实验研究

发布时间：2017-07-27 09:33

  本文关键词：磁性珩磨系统优化设计及实验研究

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【摘要】：随着科学技术的进步和生产的发展,人们对机械零件的表面质量提出了越来越高的要求,不锈钢管表面加工质量也同样如此。不锈钢由于具有高强度、高韧性、抗磁性、耐腐蚀、外形美观等优良特性而被广泛应用于很多工业领域。但由于不锈钢在高温固溶处理的过程中,其表面极易形成一层与基体附着力强的氧化皮。因此采用适当的方法及时有效地去除这类工件表面的氧化皮,并降低其表面粗糙度值,对顺利进行下道工序以及防止管道表面的腐蚀,延长工件寿命具有重要意义。对于长不锈钢管这种管状类零件,由于其长径比很大,在加工中容易产生振动和热变形,因此,其内表面的加工一直是实际生产中的难题。经过研究发现,采用磁性珩磨技术可以很好的去除长不锈钢管内表面氧化皮,并可以对其进行粗、精加工;该技术充分结合了磁技术与珩磨技术,是一种加工长不锈钢管内表面的新兴技术。通过前期的研究发现,采用磁性珩磨的方法,可以很好地满足切削性能,并能有效地提高其表面质量,但其加工稳定性较差。本课题就是在磁性珩磨系统加工稳定性较差的背景下产生的。本文主要从磁性珩磨系统的理论基础、电磁场分析、温度场分析、优化分析以及加工实验验证几个方面进行了研究,主要内容如下:(1)以电磁学、电机学等为基础,对磁性材料和旋转磁场的相关理论知识进行了介绍,为后续的分析及讨论奠定基础。结合磁性珩磨系统的固有特性对系统进行了磁路与电路分析,该分析建立了系统的运动方程,有助于理解系统物理模型,并对系统中内功率因数角、功率因数角与功率角三者之间的关系以及各自的意义进行了说明,还对比了不同磁性珩磨头对磁路的影响。并以电磁场理论、传热学、有限元方法等为基础,介绍了电磁场和温度场分析的相关理论,并确定了数值计算所使用的软件以及仿真思路。(2)借助电磁场有限元分析软件ansoft对几种不同类型的磁性珩磨头进行了二维空载分析、负载分析以及温度场分析。从加工表面处的磁感应强度、各自用导磁材料量、各自用永磁铁量、最大电磁转矩、系统稳定后的电磁转矩和转速的稳定性、达到热平衡所用的时间以及最大温升综合权衡得出适合磁性珩磨加工的最佳磁性珩磨头结构。(3)利用ansysworkbench的优化设计功能以最佳磁性珩磨头的重量、系统最大温升、电磁转矩三个参数为目标进行优化分析,最终得出最佳磁路结构珩磨头的尺寸参数,为下一步更好的设计磁性珩磨头奠定坚实的基础。(4)对优化后磁性珩磨系统进行三维电磁场分析、温度场分析,由于三维模型与实际模型更接近,从而可以更加真实的反映系统的性能,并验证了其最高温度以及电磁转矩均满足系统的加工稳定性要求。(5)通过磁性珩磨系统实验台加工实验,证实本课题所采用的磁性珩磨技术可以有效的去除长不锈钢管内壁的氧化皮并降低其表面粗糙度。然后,对已有的二代磁性珩磨头和三代珩磨头分别进行加工实验,测量其温度场分布并观察其加工稳定性,同时与有限元仿真结论进行对比,发现两者误差均在工程误差范围内,为磁性珩磨系统后续的研究和改进提供有力的数据支撑和技术依据。
【关键词】：磁性珩磨 优化设计 Ansoft 不锈钢管 有限元分析 ANSYS Workbench
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG589
【目录】：

• 摘要3-6
• ABSTRACT6-13
• 本论文所用的主要符号说明13-15
• 第一章 绪论15-25
• 1.1 引言15-16
• 1.2 选题目的及意义16-17
• 1.3 课题研究背景17-18
• 1.4 文献综述18-23
• 1.4.1 长不锈钢管的内表面加工方法概述18-19
• 1.4.2 珩磨加工概述19-21
• 1.4.3 磁性珩磨加工概述21-23
• 1.5 本课题研究内容及研究意义23-25
• 第二章 磁性珩磨系统的理论基础25-47
• 2.1 磁性材料的相关理论25-32
• 2.1.1 关于磁学的几个基本概念25-26
• 2.1.2 磁性材料分类26-29
• 2.1.3 铁磁材料的特性29-32
• 2.2 旋转磁场的相关理论32-35
• 2.2.1 电磁式旋转磁场的基本原理32-34
• 2.2.2 三相绕组的形式34-35
• 2.3 磁性珩磨系统的磁路与电路分析35-42
• 2.3.1 磁性珩磨系统的结构35-36
• 2.3.2 磁性珩磨系统的磁场分析36-38
• 2.3.3 磁性珩磨系统的电压方程、电磁功率和电磁转矩38-41
• 2.3.4 磁性珩磨系统中不同类型磁性珩磨头对磁路的影响41-42
• 2.4 磁性珩磨系统数值计算理论基础42-46
• 2.4.1 磁场分析的基本方程43
• 2.4.2 磁场分析中相关参数的计算43-44
• 2.4.3 温度场分析的理论基础44-45
• 2.4.4 数值计算软件的选择以及仿真思路45-46
• 2.5 本章小结46-47
• 第三章 磁性珩磨系统的仿真分析47-77
• 3.1 磁性珩磨系统的基本结构及相关参数47-52
• 3.1.1 电磁式旋转磁场发生器的选用47-49
• 3.1.2 磁性珩磨头结构49-51
• 3.1.3 模型的材料属性51-52
• 3.2 磁性珩磨系统的启动过程研究52-58
• 3.2.1 磁性珩磨系统模型的建立52-53
• 3.2.2 磁性珩磨系统的启动过程仿真研究53-58
• 3.3 几种不同的磁性珩磨头的有限元分析58-67
• 3.3.1 空载分析58-61
• 3.3.2 负载分析61-63
• 3.3.3 电磁场与温度场的耦合场分析63-66
• 3.3.4 最佳珩磨头结构66-67
• 3.4 磁性珩磨系统优化分析67-71
• 3.4.1 优化设计的数学模型67-68
• 3.4.2 ANSYS Workbench优化分析68-71
• 3.5 磁性珩磨系统三维有限元仿真71-76
• 3.5.1 三维模型的建立71
• 3.5.2 电磁场分析71-73
• 3.5.3 温度场分析73-76
• 3.6 本章小结76-77
• 第四章 磁性珩磨头的加工实验研究77-83
• 4.1 实验目的77
• 4.2 实验装置和主要设备77-79
• 4.3 磁性珩磨头珩磨加工实验79
• 4.4 实验结果与有限元仿真结果对比及分析79-81
• 4.5 本章小结81-83
• 第五章 总结与展望83-85
• 5.1 总结83-84
• 5.2 展望84-85
• 参考文献85-89
• 致谢89-90
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文90

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本文编号：580805