PDC切削齿刀刃半径对温度分布影响的数值分析
发布时间：2020-12-27 13:11
切削过程中产生的切削温度是影响切削齿切削效率和使用寿命的重要因素。鉴于此,通过建立圆弧切削齿与岩石相互作用温度分布模型,主要从切削齿上温度分布特点、峰值温度的变化等方面探讨了切削过程中圆弧齿刀刃半径对切削温度的影响。分析结果表明:较小的PDC刀刃半径可以减小齿上温度的积聚现象,降低齿上温度,而较大的圆弧半径反而会提升齿上的切削温度;圆弧齿切削过程中存在临界圆弧半径,在临界范围内,圆弧齿峰值温度点位置与锋利齿类似,集中在切削齿前刀面距刀刃一定距离处;圆弧半径较大时,则下移至圆弧底部;力的变化趋势以及作用与温度分布规律相对应,优化的圆弧半径切削齿传热效果更优,可以减少切削齿上热磨损现象,从而延长切削齿的使用寿命。研究结果对于切削齿破岩机理的研究和延长切削齿使用寿命具有重要意义。
【文章来源】：石油机械. 2020年06期 北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
圆弧切削齿温度分布模型图
由于切削过程工况十分复杂，本文采用数值模拟的方法，可以直观地对温度分布以及峰值温度进行分析。使用ABAQUS/Explicit建立了岩石切削二维有限元模型(见图2)，模型采用了DruckerPrager损伤本构法。岩石网格划分采用双线性四节点热耦合平面应变减缩积分单元(CPE4RT),PDC切削齿采用三节点热耦合平面应变三角形单元(CPE3T)。为保证运算精度，在切屑区域以及刀刃区域设置较密的网格，其他区域网格相对比较稀疏。模型中边界条件:(1)岩石的底部和左侧在X、Y方向上完全受约束;(2)切削齿在Y方向完全约束。仿真采用与实际破岩工况接近的二维切削模型。岩石材料选为大理岩，长为100 mm，宽为50mm，切削层高度为3 mm，模型中岩石工件固定，切削齿从右向左进行平面运动;选择标准圆柱形切削齿，齿径为13.44 mm，齿厚为8 mm，其中PDC层厚度为2 mm，碳化钨基体厚度为6 mm;仿真中初始大气温度设置为20℃，切削齿的前倾角设置为-15°，切削深度为0.5 mm，切削速度为0.2m/s;选取8种圆弧半径r，其值如表1所示。
根据不同圆弧半径切削齿温度分布云图(见图3)，可以观察到:(1)锋利切削齿峰值温度分布范围最广，峰值温度达到60℃。由于切削齿尖端接触面积很小，在齿尖处易于形成热量积聚现象，产生大量的切削热，导致切削齿的温度较高[17]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于ABAQUS的PDC高速切削岩石机理研究[J]. 高明洋,张凯,周琴,周辉峰,刘宝林. 石油机械. 2019(02)
[2]单齿回转切削力学模型的研究进展[J]. 郑国敬,周琴,张凯,汪伟. 煤炭学报. 2018(S2)
[3]国外PDC切削齿研究进展[J]. 许利辉,毕泗义. 石油机械. 2017(02)
[4]热-结构耦合PDC单齿破岩温升规律研究[J]. 伍开松,柯行,龙巾帼. 石油机械. 2013(04)
[5]PDC钻头切削齿破岩温度场有限元仿真分析[J]. 邓嵘,李勇. 石油机械. 2012(12)
[6]基于ABAQUS的PDC钻头切削齿温度场分析与仿真[J]. 李勇,邓嵘,刘云胜. 现代制造技术与装备. 2012(02)
[7]岩石钻掘过程中的钻头温度分析[J]. 杨晓峰,李晓红,卢义玉. 中南大学学报(自然科学版). 2011(10)
[8]水射流辅助岩石切削过程的刀具热应力分析[J]. 杨晓峰,李晓红,卢义玉. 煤炭学报. 2011(01)
本文编号：2941795
【文章来源】：石油机械. 2020年06期 北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
圆弧切削齿温度分布模型图
由于切削过程工况十分复杂，本文采用数值模拟的方法，可以直观地对温度分布以及峰值温度进行分析。使用ABAQUS/Explicit建立了岩石切削二维有限元模型(见图2)，模型采用了DruckerPrager损伤本构法。岩石网格划分采用双线性四节点热耦合平面应变减缩积分单元(CPE4RT),PDC切削齿采用三节点热耦合平面应变三角形单元(CPE3T)。为保证运算精度，在切屑区域以及刀刃区域设置较密的网格，其他区域网格相对比较稀疏。模型中边界条件:(1)岩石的底部和左侧在X、Y方向上完全受约束;(2)切削齿在Y方向完全约束。仿真采用与实际破岩工况接近的二维切削模型。岩石材料选为大理岩，长为100 mm，宽为50mm，切削层高度为3 mm，模型中岩石工件固定，切削齿从右向左进行平面运动;选择标准圆柱形切削齿，齿径为13.44 mm，齿厚为8 mm，其中PDC层厚度为2 mm，碳化钨基体厚度为6 mm;仿真中初始大气温度设置为20℃，切削齿的前倾角设置为-15°，切削深度为0.5 mm，切削速度为0.2m/s;选取8种圆弧半径r，其值如表1所示。
根据不同圆弧半径切削齿温度分布云图(见图3)，可以观察到:(1)锋利切削齿峰值温度分布范围最广，峰值温度达到60℃。由于切削齿尖端接触面积很小，在齿尖处易于形成热量积聚现象，产生大量的切削热，导致切削齿的温度较高[17]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于ABAQUS的PDC高速切削岩石机理研究[J]. 高明洋,张凯,周琴,周辉峰,刘宝林. 石油机械. 2019(02)
[2]单齿回转切削力学模型的研究进展[J]. 郑国敬,周琴,张凯,汪伟. 煤炭学报. 2018(S2)
[3]国外PDC切削齿研究进展[J]. 许利辉,毕泗义. 石油机械. 2017(02)
[4]热-结构耦合PDC单齿破岩温升规律研究[J]. 伍开松,柯行,龙巾帼. 石油机械. 2013(04)
[5]PDC钻头切削齿破岩温度场有限元仿真分析[J]. 邓嵘,李勇. 石油机械. 2012(12)
[6]基于ABAQUS的PDC钻头切削齿温度场分析与仿真[J]. 李勇,邓嵘,刘云胜. 现代制造技术与装备. 2012(02)
[7]岩石钻掘过程中的钻头温度分析[J]. 杨晓峰,李晓红,卢义玉. 中南大学学报(自然科学版). 2011(10)
[8]水射流辅助岩石切削过程的刀具热应力分析[J]. 杨晓峰,李晓红,卢义玉. 煤炭学报. 2011(01)
本文编号：2941795
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