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机械论文机械设计与制造论文3篇
机械论文:
机械设计与制造论文3篇
机械设计与制造论文篇一:
钛合金薄板低阈值背反射激光焊接数值分析与特性的研究
第一章绪论
1.1研究背景
环境恶化、能源紧张是全世界突出的两大问题,早在上世纪我国就提出、倡导可持续的社会经济发展。
这一环境下,“机械装备构件轻量化”是机械领域研究的重要主题[1-3],包括工艺、材料、结构三大轻量化方面;其中,轻量化研究的源头是材料轻量化,轻量化设计的主题是结构轻量化,轻量化制造的标志[4]是工艺轻量化。
随着不断深入对机械装备构件轻量化的研究,轻合金材料及其成形技术是一个热点研究领域。
近来,钛合金是典型轻合金材料代表之一,有比强度高、密度小、组织性能稳定耐热性好、耐腐蚀性强等大量优点[5],被广泛用在医疗、船舶、航空、航天、化工、石油等领域,其中钛合金薄板的应用最为广泛[6-8]。
众所周知,焊接成形是作为结构件的薄板钛合金的主要成形方法之一,其中激光焊接具有工件变形小、焊接速度快、能量密度高、热影响区小等特点,是薄板钛合金最主要的成形方式之一[9]。
在激光焊接过程中,为了减少变形,常希望获得对称的X形焊缝,获得X形焊缝能量阈值一般较高,高能量阈值状态肯定会影响焊接接头组织恶化[6],造成较大焊接接头残余应力及梯度[10]。
可见,研究降低薄板钛合金激光X形焊接成形的能量阈值对于薄板钛合金高品质高效成形意义重大。
..........
1.2国内外的研究现状
激光焊接具有焊接效率高、变形小、热影响区小、晶粒小等优点,加之钛合金又是用量最大的轻合金材料之一,故有关钛合金激光焊接的研究受了国内外专家学者的普遍关注。
表1.1是有关钛合金激光焊接的代表性研究。
激光焊接按其能量传递方式不同,一般分为热导焊和深熔焊两大类。
激光热导焊类似于常规传统焊接,可以用相似的数值模拟方法进行求解,故在这里不再赘述。
本文研究属于激光深熔焊范畴,故下面主要对激光深熔焊数值模拟的研究现状进行阐述。
国外有关激光深熔焊数值模拟的研究起步较早。
其中,Swift[21]最先初步研究了激光焊接传热过程。
当时激光能量密度低,忽略了金属的蒸发及气化,得到了激光作用下移动柱状线热源温度场函数解析式,其中假定热物理参数为定值,并用贝塞尔函数对不同速度引起的温度场变化进行修正。
然而厚度方向上的温度差没有考虑到,所以实际上就是个二维模型。
优势是可以快速温度场的激光仿真,运算简单。
劣势是由于模型不准确导致的模拟结果存在较大误差。
Andrews等[22]通过有限差分法对激光照射在超长的焊件上的温度分布进行了计算,综合了气化的影响,得到的结论是:
1)熔池表面张力导致熔深熔宽变小2)激光功率和材料决定匙孔的形成速度。
为了便于模型简化,忽略了热传导及假定激光能量被蒸发材料完全吸收,造成了模拟结果与实际情况不相符合。
Kelmans[23]通过极坐标对激光照射在超长的焊件上的导热进行了计算,考虑沿径向方向的热传导,模拟出了匙孔形貌,分析了匙孔内的能量平衡。
Cline等[24]模拟了移动线热源照射在超长的焊件上的导热过程,总结出激光穿透深度与能量吸收间的相互关系。
以上模型分析均基于1970年提出的二维模型,其模型相对简单,但也因此得到的结论准确性有待进一步提高。
2000年后,有限元分析软件借助于计算机技术的迅猛发展得到了完善,对激光焊接温度场的模拟计算速度和精度得到较大幅度的提高。
02年Papanikos、Tsirkas借助SYSWELD软件提出了三维模型来研究激光焊后板材变形问题[25],结合材料的潜热值,实现了准确模拟焊接过程中的温度场。
.........
第二章钛合金薄板背反射激光焊接过程的温度场模拟与分析
2.1引言
激光焊接过程中,材料表面会在热源带来的瞬时高温作用下快速熔化随后迅速冷却。
这一过程中由于温度分布不均匀造成熔池内部组织形态各异,从而直接影响焊接接头的残余应力分布[42],进一步影响焊接接头的成形性[43]。
因而,准确了解焊接温度场的变化规律和影响机制是研究焊接成形特性的基础。
然而,焊接温度场的计算是一个涉及热源加热、熔池内流体传热以及固体传热的非平衡、多参数耦合的复杂过程[44],传统的试验方法难以揭示焊接熔池温度变化的规律及保证温度数据的完整性,而数值模拟是描述焊接熔池温度场的最有效的方法之一[45]。
目前,对于常规激光焊接温度场数值模拟已经很多[46-48]。
然而,对于背反射激光焊接的研究仅停留在实验阶段,因而采用数值模拟的方法阐明背反射激光焊接过程的温度场分布较为重要。
本章以前期背反射激光X形深熔焊的理论研究和实验结果,首先以0.8mm厚TC4钛合金薄板为施焊对象,运用ANSYS有限元软件建立起其焊缝的“双热源”温度场模型,并通过实验结果验证模型的准确性。
基于此模型理论基础,通过改变激光工艺参数和钛合金薄板厚度,实现对1.5mm厚TC4钛合金薄板温度场分布的模拟与分析,从模拟的角度预测激光工艺参数对焊接接头的影响规律和作用机制,同时也为后续应力场模拟与分析奠定基础。
........
2.2计算模型
根据本文实验所用激光器型号得知,其激光热源分布符合高斯分布。
因而在进行有限元建模过程中,设定材料表面的激光热源模型为旋转高斯曲面体热源(图2.1a)。
考虑到辅助背反射增益能场起到了常规高阈值激光X型焊接时背面金属蒸汽云辅助热源类似的作用,故本项目研究过程中拟在旋转高斯曲面体热源的基础上进一步增加背面高斯面热源(图2.1b)。
根据前期大量实验结果,确定背反射激光焊接头热源模型正背面能量分配比为3:
1,且正面能量输入以常规激光焊薄板熔透的最小功率为依据。
合适的温度场有限元模型能真实的反应激光热源分布、材料热物理性能、能量输入、施焊过程中的热辐射、热对流、相变潜热等。
但激光施焊过程中伴随着一系列的物理化学变化,特别是激光照射的熔池中还伴随着系列的传热、传质、对流等现象,采用有限元法对它进行数值模拟时,难免引入近似计算。
.........
第三章钛合金薄板背反射激光焊接过程的应力场模拟与分析.....23
3.1引言.........23
3.2应力场模拟基础理论........23
3.3背反射激光焊应力场模拟前处理......25
3.4背反射激光焊应力场结果及分析......26
3.5本章小结..........32
第四章钛合金薄板背反射激光焊接成形工艺特性研究........33
4.1引言........33
4.2试验材料与方案......33
4.3试验的结果与分析............36
4.4正交优化试验的结果与分析.....39
4.5本章小结..........43
第五章钛合金薄板背反射激光焊接接头的组织和性能..........44
5.1引言........44
5.2组织性能分析方法...........44
5.3焊接接头的横切面宏观形貌....46
5.4焊接接头的微观组织.......47
5.5焊接接头的力学性能.......50
5.6本章小结..........52
第五章钛合金薄板背反射激光焊接接头的组织和性能
5.1引言
在分析采用某一焊接方法焊接钛合金薄板所表现出的特性时,除需考察其焊接成形性外,还需对其焊接接头的组织和性能进行分析。
根据第四章有关钛合金薄板背反射激光焊接成形工艺特性的研究结果可知:
在本文实验条件下,当采用1400W的激光功率、800mm/min的扫描速度且离焦量为1mm焊接1.5mm厚TC4钛合金薄板时,所获得的钛合金薄板背反射激光焊接成形焊缝具有最优的背宽比。
本章以这一工艺参数下所获得的钛合金薄板背反射激光焊接接头为研究对象,较为系统地研究了焊接接头的横切面宏观形貌、焊缝区和热影响区的微观组织、硬度沿焊缝横切面的分布情况和拉伸强度及其断口形貌,并与相同激光工艺参数焊接同种钛合金薄板试样进行对比。
沿垂直于焊接方向截取焊接接头的横截面金相试样,截取试样时以原对接焊焊缝为中心线进行取样,取样尺寸为10mm×6mm×1.5mm;将试样用超声波清洗后镶嵌制样,依次采用180#、320#、500#、800#、1200#的砂纸进行粗细打磨后,再在抛光机上用0.5μm的Al2O3抛光粉配置成的抛光液进行抛光;采用HF:
HNO3:
H2O=5ml:
10ml:
85ml腐蚀剂进行腐蚀,用CMY210金相显微镜及其自带的Toupview金相分析软件(图5.1)对焊接接头组织进行观察分析。
............
总结
针对钛合金薄板背反射激光焊接现有研究存在的问题,本文以1.5mm厚TC4钛合金薄板为对象,围绕“钛合金薄板低阈值背反射激光焊接数值分析与特性”这一主题,开展相关理论及应用基础研究。
研究中,通过对背反射激光焊接过程温度场和应力场数值模拟与分析的研究,阐明背反射激光焊接过程温度场和应力场的变化及其分布规律,进而为揭示背反激光焊接成形机理奠定理论基础;同时,通过钛合金薄板背反射激光焊接成形工艺特性和组织性能特性的研究,验证这一高效低阈值激光焊接新方法对厚度相对于现有研究增大了约1倍的较厚薄板的适应性,从而为进一步拓展其应用提供技术支撑和应用基础。
研究过程中采用“理论分析与实验研究相结合”、“数值模拟和试验优化并重”的研究方法:
所开展的研究工作和取得的成果如下。
钛合金薄板背反射激光焊接过程的温度场数值模拟与分析的研究。
以经实验验证的0.8mm厚钛合金薄板背反射激光焊接过程的“双热源”温度场模型为基础,通过设定1.5mm的板厚、1400W的功率和850mm/min的扫描速度建立新的温度场模型,对1.5mm厚钛合金薄板背反射激光焊接过程的温度场进行了数值模拟与分析。
研究表明:
此模型能够较好地模拟背反射激光焊接成形过程中的温度场分布情况,薄板正面和背面均在很短时间内形成了类似“泪滴状”的稳定温度场,热源前端等温线密集、温度梯度大,后端等温线相对稀疏、温度梯度相对较小。
熔池逐渐从V形过渡到X形的温度场时程变化,较好地描述了背反射激光焊接过程中所形成的背面辅助能场对工件背面进行二次加热的物理过程;同时,随着功率的增大或者扫描速度的降低,熔池熔宽和熔深逐渐增大,温度梯度与功率呈正比,与速度呈反比规律。
.........
参考文献(略)
机械设计与制造论文篇二:
数控机床工具夹紧系统基础共性技术的研究
第一章绪论
1.1课题研究背景
机械制造作为一个国家发展的基础,决定了一个国家制造业的水平。
自数控技术出现,在我国国民经济的发展中机械制造业和切削加工技术扮演着越来越重要的角色[1-5]。
数控加工技术凭借其加工柔性好、精度高,生产率高等优势,发展迅速,在国内外占据了很大的市场。
然而,由于缺乏核心技术,国产的数控机床无论是高性能数控系统还是机床的关键功能部件都不能实现完全自主开发。
工具系统是由机床主轴(或者刀座)、刀柄、夹紧机构和加工刀具的联接组成。
在高速加工状态下,由于离心力的作用,对工具系统提出了质量小、具有保持夹紧力的能力和平衡精度高的要求[6]。
工具系统不仅影响数控机床的生产效率,还会对加工零件的加工精度和质量造成直接影响,所以选择合适的工具系统是数控机床体现最佳性能的重要举措。
工具系统从定位的角度分为两类[7],即无端面定位(图1.1(b)和图1.1(e))和有端面定位(图1.1(c)和图1.1(f))。
无端面定位的工具系统具有制造工艺性好的优点;但是其系统的定位精度和刚度较差。
而具有端面定位的工具系统虽然制造工艺性相对较差,但是其在使用性能上更能满足现代加工制造的要求。
数控机床多数采用的是传统无端面定位的7:
24锥度刀柄,采用拉钉式夹紧方式。
随着数控切削加工技术的不断发展,适合高速切削加工的刀柄系统也在被不断推出市场。
譬如德国HSK刀柄及美国KM刀柄等,均采用了外涨式夹紧机构,控制轴向重复定位精度高达0.001mm[8],且在高速旋转下,夹紧机构性能更加优异,控制系统径向跳动在5μm之内。
.........
1.2数控加工工具系统的研究现状
目前,我国对工具系统的研究还不够系统和深入,没有研制出具有自主知识产权的实用新型数控机床高速刀柄,跟德国,美国,日本国家相比等,我国的研究还处在落后水平。
从国外进口成了国内高速刀柄来源的基本方向。
部分研究机构和学者已着手分析和研究进口的高速刀柄。
例如,江苏大学的王贵成模拟了KM刀柄配合锥面定位情况[8]。
王贵成等还通过建立工具系统刚度模型,研究了主轴转速对HSK工具系统刚度等性能的影响[9],在深入研究了HSK工具系统特性基础上,王贵成等完成了学术专著《高速加工工具系统》的出版[10]。
清华大学的李光辉等建立了临界转速计算模型[11],并基于有限元分析方法,针对HSK-A63刀柄过盈量等多因素对工具系统接触应力的影响进行了研究[12]。
山东大学的艾兴,张松等分析了转速等因素对接触应力的影响[13]。
成都工具研究所的赵柄祯、梁彦学等研究了HSK刀柄制造标准、工艺及其动平衡特性[14]。
广东工业大学的张伯霖等提出了工具系统是高速机床的核心技术之一[15]。
工业发达国家针对BT刀柄的在高转速下存在的诸多问题,相继开发出了适合高速加工的刀柄。
目前,德国HSK刀柄、美国KM刀柄、日本NC5和BIG-PLUS刀柄、瑞典CAPTO刀柄等都在国际市场上占据很大的份额。
这些刀柄各有各的特点,同时又都在一定程度上规避了传统BT刀柄的弊端。
T.Aoyamay在对HSK工具系统在高速状态下的联接特性进行了探讨分析[16];J.S.Agapiou等理论分析了不同工况下HSK刀柄与高速主轴的联接情况,并深入研究了关键结构的应力变化规律[17,18];TsutsumiM基于有限元数值模拟,分析了HSK刀柄锥面的应力分布,得出转速对接触应力分布状态的影响[19];Kocherovsky对各型号HSK刀柄的结构及性能特性进行了系统全面的介绍[20]。
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第二章工具系统夹紧机构结构及特征
数控机床正在向高速、高精度方向不断发展[33],机床主轴实现高速化直接导致了对主轴组件的高要求。
夹紧机构是工具系统必不可少的重要组件,在用来提供规定大小夹紧力的同时,也要保证刀柄与主轴联接的可靠性以及加工过程中的联接刚度和定位精度。
为了我国自主开发具有知识产权的新型工具系统、提高我国的机械行业的整体水平,研究夹紧机构的特性、夹紧力的产生、传递和放大等功能在夹紧机构上的实现[34],是必须要做的工作。
2.1机床工具系统的夹紧机构
在数控机床上加工某一零件时,往往需要频繁换刀,那么也就意味着夹紧机构需要不断夹紧、松刀,同时在加工过程中,必须保证刀柄被可靠夹紧,防止刀具的脱落,并保证定位精度和刚度良好[35-36]。
通过对数控机床工具系统的分析,可以将工具系统所采用的夹紧机构根据夹紧力的产生、传递和放大机理分为两类:
1.拉钉式夹紧机构,本文主要以BT刀柄夹紧机构为例进行研究。
2.外涨式夹紧机构,本文主要以HSK刀柄夹紧机构为例进行研究。
通过刀柄尾部的拉钉实现刀柄在主轴孔内的定位夹紧的机构,即拉钉式夹紧机构,由第一章的分析可以看出,使用拉钉式夹紧机构的工具系统主要有BT刀柄、NC5刀柄、BIG-PLUS刀柄、AHO刀柄、H.F.C刀柄、SHOWAD-F-C刀柄以及3LOCK刀柄。
本文主要以BT工具系统夹紧机构为例进行研究。
.......
2.2夹紧机构夹紧力分析
无端面定位夹紧的刀柄,夹紧力主要用于拉紧刀柄和主轴端面,为刀柄夹紧提供动力。
有端面定位夹紧的刀柄,夹紧力主要作用到两方面:
1.克服锥面过盈阻力;2.传递到端面。
HSK工具系统采用过盈配合,是为了保证刀柄的径向定位精度和整体刚度。
在刀柄安装时,刀柄端面与主轴端面之间存在一定的端面间隙(约0.1mm)。
保障刀柄端面与主轴端面之间的可靠夹紧就必须消除这部分间隙。
消除这部分间隙,即克服刀柄和主轴锥面之间的过盈量,这部分过盈量存在会使刀柄和主轴产生一定的径向变形,即有摩擦阻力,那么必然会消耗一部分夹紧力FCL1,用于克服这部分摩擦阻力。
数控机床工具系统的定位精度、连接刚度与刀柄/主轴是否被可靠的定位夹紧有密切关系,因此必须保证足够的实际作用在刀柄和主轴端面之间有效夹紧力。
按不同标准制造刀柄和主轴时,其刀柄与主轴端面的最大间隙值会不同(刀柄与主轴锥面配合过盈不同),因此实际作用在刀柄/主轴端面之间的有效夹紧力也不同。
............
第三章夹紧力对工具系统接触特性的影响......23
3.1ANSYS接触分析..........23
3.2无端面定位工具系统模拟结果分析......26
3.3有端面定位工具系统模拟结果分析......27
3.4结果讨论.....32
3.5本章小结.....33
第四章夹紧机构对工具系统性能的影响..........34
4.1夹紧力对工具系统轴向定位精度的影响.......34
4.2夹紧力对工具系统径向定位精度的影响.......37
4.3夹紧力对工具系统轴向刚度的影响......41
4.4夹紧力对工具系统径向刚度的影响......46
4.5夹紧力对工具系统扭转刚度的影响......51
4.6本章小结.....55
第五章夹紧力控制与测量.......56
5.1夹紧力的控制......56
5.2夹紧力的测量......5
5.3本章小结.....65
第五章夹紧力控制与测量
原始夹紧力不足、夹紧机构故障或在工作过程中夹紧机构维持夹紧力能力欠缺将会导致传递到刀柄/主轴接触端面的夹紧力过小,从而严重影响刀柄的定位精度和刚度,影响加工零件的精度[7]。
夹紧机构所能够提供的夹紧力的大小对整个工具系统的性能有着重要的影响,研究夹紧机构夹紧力的控制与测量技术对于提高工具系统使用有效性、安全性有着重要的意义。
为了研究夹紧机构夹紧力大小的控制方法,需要对夹紧机构的结构组成、夹紧/松刀过程中力的传递、放大情况进行分析。
为了设计开发新型夹紧力测量装置,需要对国内外已有的接触压力测量装置以及工具系统夹紧机构夹紧力测量装置进行深入研究[62-68],总结得到夹紧力测量装置工作原理及作用方式,可以更好的为进一步的设计开发做准备。
5.1夹紧力的控制
由第二章节的分析可知,BT工具系统夹紧机构夹紧力不会随着工作转速等的变化发生变化,所以要实现对BT工具系统夹紧力的控制只需要对施加夹紧力的夹紧机构动力源的输出力进行控制,简单方便。
由第二章节的分析可知,HSK工具系统夹紧机构夹紧力的大小受很多因素的影响,导致HSK工具系统夹紧力在不同的夹紧机构结构以及不同的工作状态下不是一个定值,那么对HSK夹紧机构夹紧力的控制就变得很重要。
对HSK工具系统夹紧机构的结构组成、夹紧/松刀过程中力的传递、放大情况进行分析,得到图5.1所示的外涨式夹紧机构,不同的摩擦条件,不同的斜楔角时夹紧力放大效果的比较图。
.........
结论
夹紧系统作为数控机床加工主轴和刀柄联接的必不可少的重要环节,论文在对进行深入研究了夹紧系统的基础特性基础上,引入有限元接触问题分析理念,结合实验验证方法,对夹紧机构对不同工具系统性能的影响做了全面的分析研究,提出了端面夹紧力测量机构,取得了以下成果和结论:
(1)分析、比较了不同工具系统夹紧系统组成和结构特点,研究了不同夹紧机构力的产生、传递过程,分析不同夹紧机构力的放大方式,计算并确定了不同夹紧机构的放大倍数,证实了外涨式夹紧机构更适用于高速加工。
(2)基于接触分析方法及增广的拉格朗日算法,建立了不同工具系统数值模拟接触模型,分析了夹紧力对不同工具系统锥面接触间隙、锥面及端面的接触应力的影响。
研究结果表明,增大夹紧力会增大BT刀柄与主轴锥面的接触应力,增大夹紧力会增大HSK刀柄与主轴锥面的接触间隙及端面的接触应力,但是同时也会增大BT刀柄、HSK刀柄接触面的最大接触应力和HSK刀柄锥面的非接触区域,所以要控制夹紧力在合理的取值范围内。
(3)研究了夹紧机构对工具系统定位精度影响,首次建立了由于夹紧机构故障因素,对工具系统径向定位精度造成影响的力学模型。
结果表明,性能优异的夹紧机构可以提高工具系统定位精度,有端面定位工具系统定位精度较为优异。
增大夹紧力会增加刀柄的轴向位移和径向位移转角,所以应在保证工具系统可靠夹紧的基础上控制夹紧力的大小。
针对夹紧机构对工具系统轴向、径向、扭转刚度的影响进行了深入的研究,在理论计算的基础上,得到了夹紧力与工具系统传递扭矩之间的关系式,两者呈线性关系。
研究结果表明,端面接触决定了工具系统优异的联接刚度。
夹紧机构夹紧力的增大,可以显著提高工具系统联接刚度特性,使工具系统在重载切削时依然能保持好的性能。
要确保工具系统优异的联接性能,选择合适的夹紧系统及合理的夹紧力是必要的。
.........
参考文献(略)
机械设计与制造论文篇三:
某发动机缸体曲轴孔激光涨断加工工艺及质量控制研究
第一章绪论
1.1本课题的研究目的
缸体是发动机最关键、核心的零部件之一,而曲轴孔作为发动机上重要的运动副,其加工质量的好坏,很大程度上决定了该发动机的使用寿命。
因此,研究现有生产条件下如何有效确保缸体曲轴孔加工质量,减少加工过程产生的缺陷,这是本文的主要研究目的。
某工厂现生产产品为一款经典的中大功率发动机,为上世纪70年代从奥地利引进,并消化吸收,具有完全自主知识产权的先进产品。
该中大功率发动机的缸体为分体式结构,分别为缸体与曲轴箱,他们分别经过铣、镗、钻铰等加工后,利用三个销孔进行精确定位。
此缸体曲轴孔加工过程为:
粗镗缸体曲轴半孔和曲轴箱曲轴半孔—钻铰缸体及曲轴箱上三个合箱用定位销孔—合箱—半精镗曲轴孔—精镗曲轴孔。
加工后在不拆箱状态时测量曲轴孔直径、圆度完全满足工艺要求(曲轴孔直径∮1080+0.022mm),但在经过拆箱再次合箱后,曲轴孔就会出现变形、错位情况,圆度变化甚至能够达到0.02mm,这种情况很容易造成整车发动机正常工作期间无法形成有效曲轴润滑油膜,从而造成曲轴抱轴的严重后果,对产品的市场信誉会造成极大损害。
通过数据统计、分析,发现在不拆合箱定位销,只松开螺栓时,再次合箱后曲轴孔变形趋势为直径在机体上下方向增大,左右方向变小。
而合箱定位销也取出,再次合箱后曲轴孔直径上下方向仍增大,但左45°方向孔径变小、右45°方向孔径变大,即沿缸体、曲轴箱合箱水平方向曲轴孔产生了错位现象。
分析其原因为:
缸体及曲轴箱合箱后,曲轴孔的半精镗及精镗加工是连续进行
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