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连杆/箱体主轴承座裂解槽脉冲激光加工数值模拟及试验研究

作　者: 王金伟
导　师: 寇淑清
学　校: 吉林大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 发动机连杆箱体主轴承座裂解槽脉冲激光数值模拟几何形貌显微组织
分类号: TN249
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

与传统的分体加工技术相比,裂解加工具有工艺流程简单、节省精加工设备、装配质量好,承载能力强等优点,对于降低制造成本、提高发动机性能有重要意义,已成为剖分类零件制造技术的发展方向。发动机连杆和箱体主轴承座属于典型的剖分类零件,箱体前后壁或每个隔板上的轴承座结构形式类似于连杆大头,但多个轴承座(四缸发动机为5个、六缸发动机为7个轴承座)有间隔共线排列并由底座相连形成整体。C70S6微合金非调质钢以其优良的裂解性能广泛应用于连杆生产中,属于韧性材料,仅在德国就有60多种发动机连杆采用,是最早在室温条件下采用裂解加工的锻钢连杆材料,也是我国裂解加工连杆的常用材料。发动机箱体主要采用灰铸铁、蠕墨铸铁等脆性材料,奔驰、菲亚特等轿车的发动机箱体都是由灰铸铁铸造而成。在裂解工艺中,其核心与首要工序就是裂解槽的设计和加工。预制裂解槽的目的是产生缺口效应,提高应力集中系数,使零件沿着预定断裂面发生断裂,并显著降低裂解载荷。目前,裂解槽加工方法主要有机械拉削、线切割、粉末锻造和激光加工。激光加工裂解槽是一个包含激光束、工件、周围环境在内的复杂过程。本文以研究脉冲激光加工裂解槽技术、扩大裂解技术的应用范围、提高裂解加工质量为目标,对连杆材料C70S6钢和箱体材料灰铸铁脉冲激光加工裂解槽进行数值分析和试验研究。论文着重对以下几个方面进行了研究：1.根据激光加工裂解槽的工况,建立了YAG脉冲激光切槽三维瞬态温度场有限元模型。采用APDL语言编写QC*exp(-2*(({x}-x_center)^2+({Z}-z_center)^2)/(rb^2))函数来实现脉冲激光热源的移动加载；采用有条件分支if命令和DO循环命令实现了脉冲作用阶段和间歇阶段高斯热源的定点施加和反复加载；采用“生死单元技术”实现了从温度场到裂解槽形貌的分析。并对材料热物性参数、切槽模拟工艺参数、边界条件、相变潜热、时间步长、离焦量等技术问题进行了分析,完成了温度场数值模拟的前处理过程。2.对典型材料C70S6、灰铸铁脉冲激光切割裂解槽温度场进行了数值模拟,获得不同激光参数及加工参数下温度场分布,给出裂解槽的槽深、槽宽以及的槽的连续性、根部尖锐度变化规律。进行脉冲激光加工裂解槽试验,对模拟结果进行试验验证,并对正负离焦量、激光切槽入射角和激光切割头进给方式对裂解槽加工质量的影响进行了探讨。数值分析与激光切槽试验结果表明：激光参数与加工参数对裂解槽宏观形貌影响明显。调整并合理匹配激光参数与加工参数可以获得理想的裂解槽宏观形貌。在影响槽深的因素中,脉冲功率影响最大,光斑尺寸和脉冲宽度次之,扫描速度最小。在影响槽张角的因素中,光斑尺寸最大,脉冲功率和脉冲宽度次之,扫描速度几乎不产生影响。在影响根部尖锐度的因素中,脉冲宽度影响最大,光斑尺寸次之,其余加工参数影响不大。引起烧蚀现象的主要因素是脉冲功率、脉冲宽度和扫描速度。激光切槽入射角越小,槽深越大,但是排渣不利；激光切割头推动切割优于拖动进给方式。3.在槽深一定的情况下,增加根部尖锐度可以提高应力集中系数,对于提高裂解质量极为重要。根据材料状态、能量平衡和孔形变化,将脉冲激光加工裂解槽孔过程分为起始、准稳定破坏及收尾三个阶段；对脉宽、波形、脉冲频率、扫描速度等影响槽根尖锐度的因素进行了分析；设计一种新的激光脉冲波形,以满足槽根尖锐度的要求。分析及试验结果表明：长脉冲宽度与扫描速度的合理匹配是获得尖锐裂解槽的关键,当脉宽取lms,扫描速度为10mm/s,获得了根部尖锐的裂解槽；对于要求深且尖锐的裂解槽,可增加频率转化为多个长脉冲加工,当频率增加到40Hz,脉宽取0.5ms,得到的裂解槽纵横比大且根部尖锐。裂解槽形貌对比说明,对于脉宽和频率进行优化,可在加工裂解槽孔的各个阶段合理地注入能量,获得高质量的裂解槽。4.对两种典型材料激光加工裂解槽热影响区的微观组织进行了试验研究。结果表明：①在激光光斑作用区附近形成四个区域：裂解槽、重凝区、固态相变区和基体。在重凝区灰铸铁生成了细小的树枝状初晶加莱氏体,C70S6钢形成柱状晶及其边界上的空隙和MnS颗粒。在固态相变区灰铸铁获得了隐针马氏体和残余奥氏体,C70S6钢一部分转变成马氏体,其余以残余奥氏体形式存在。热影响区的马氏体在相变过程中局部被拉裂,两种材料均形成淬火微裂纹。从灰铸铁表面逸出的CO2,在槽表面形成了很多孔洞,即气孔。②激光热影响区组织得到细化,两种材料激光处理后硬度均明显高于母材,硬化效果显著。③槽深与硬化层厚度的存在为后续加工余量的留取提出了要求,随着激光参数不同,灰铁槽深与硬化层厚度之和在0.524～0.885mm之间,C70S6深度之和在0.372～0.761mm之间。机械加工余量的选择应该大于裂解槽深0.1mm左右为宜。5.探讨了常见的定向裂解缺陷、脉冲激光加工裂解槽缺陷并提出控制措施。常见的裂解槽加工缺陷有裂解槽深过大/过小、局部过深、长度不足/过切、连续性差、位置精度差、两侧槽深不一致、烧损现象、根部不尖锐等,这些缺陷可能导致不同的定向裂解缺陷发生。对典型材料断裂面形貌进行了分析,结果表明：激光加工裂解槽过程中的淬火处理,可以有效改善韧性材料C70S6的断裂特性,而且显著提高灰铸铁对缺口的敏感性；一定厚度淬硬层的生成,保证了C70S6钢脆性断裂的发生。

全文目录

中文摘要  5-7
Abstract  7-14
第一章绪论  14-34
  1.1 选题依据及意义  14-15
  1.2 裂解加工技术简介  15-19
    1.2.1 连杆、箱体主轴承座结合面传统加工工艺及定位方式  15-17
    1.2.2 裂解加工技术原理及关键工序  17-18
    1.2.3 裂解工艺的先进性与经济性  18-19
  1.3 裂解加工技术国内外发展状况  19-25
    1.3.1 裂解材料的开发与应用  19-22
    1.3.2 裂解设备的研制与应用  22-24
    1.3.3 裂解加工国内研究与应用现状  24-25
  1.4 裂解槽位置及加工技术的发展  25-31
    1.4.1 裂解槽加工位置的发展变化  26
    1.4.2 裂解槽加工方法及发展  26-28
    1.4.3 裂解槽加工设备的发展  28-31
  1.5 裂解加工质量要求  31-32
  1.6 本文主要研究内容  32-34
第二章裂解槽加工技术基础  34-52
  2.1 裂解加工的力学基础  34-36
    2.1.1 脆性断裂理论  34-35
    2.1.2 应力集中及缺口敏感性  35-36
  2.2 裂解槽设计与描述  36-38
  2.3 裂解槽加工要求  38-39
  2.4 裂解槽加工方法对裂解质量的影响  39-40
  2.5 常见定向裂解缺陷及其影响因素  40-45
    2.5.1 圆柱孔失圆  40-43
    2.5.2 掉渣和爆口  43
    2.5.3 其它常见定向裂解缺陷  43-45
  2.6 脉冲激光切割裂解槽原理  45-49
    2.6.1 用于裂解槽加工的激光器选择  45
    2.6.2 激光加工原理  45-46
    2.6.3 激光与材料的相互作用规律  46-48
    2.6.4 脉冲激光打孔的数学模型  48-49
  2.7 裂解槽激光加工设备及工艺流程  49-51
    2.7.1 激光加工设备  49-50
    2.7.2 操作流程  50-51
  2.8 本章小结  51-52
第三章激光切槽温度场建模及关键技术处理  52-66
  3.1 数值模型分析平台搭建  52-53
  3.2 温度场有限元分析理论  53-57
    3.2.1 激光切槽过程的热传导方程  53-54
    3.2.2 激光切割过程的能量平衡  54-55
    3.2.3 非线性瞬态温度场求解有限元分析  55-57
  3.3 激光加工热源模型  57-58
  3.4 有限元建模及关键技术处理  58-64
    3.4.1 模型建立  58-59
    3.4.2 材料的热物理性能  59-60
    3.4.3 初始条件与边界条件  60
    3.4.4 相变潜热的处理  60-61
    3.4.5 载荷步和时间步长的确定  61
    3.4.6 热源的加载  61-63
    3.4.7 离焦量的选取  63-64
    3.4.8 "单元生死"技术的应用  64
  3.5 模拟工艺参数选择  64-65
  3.6 本章小结  65-66
第四章脉冲激光加工裂解槽温度场的数值模拟  66-82
  4.1 脉冲激光切槽温度场模拟的初步结果  66-67
  4.2 不同工艺参数作用下裂解槽温度场分布  67-81
    4.2.1 脉冲功率对温度场分布及裂解槽尺寸的影响  68-71
    4.2.2 光斑半径对温度场的影响  71-74
    4.2.3 脉宽对温度场分布及裂解槽几何形状的影响  74-77
    4.2.4 扫描速度对温度场模拟结果的影响  77-80
    4.2.5 烧损现象影响因素  80-81
    4.2.6 讨论  81
  4.3 本章小结  81-82
第五章连杆/箱体主轴承座裂解槽宏观形貌分析  82-102
  5.1 试验材料及方法  82-84
    5.1.1 样件准备  82
    5.1.2 切槽试验  82-84
    5.1.3 定向裂解试验  84
  5.2 激光切割裂解槽试验结果  84-91
    5.2.1 试验与数值模拟结果对比  84-89
    5.2.2 其它因素对裂解槽形貌的影响  89-91
  5.3 裂解槽根部尖锐度的分析  91-95
    5.3.1 脉冲激光裂解槽孔加工过程分析  91-92
    5.3.2 影响裂解槽根部尖锐度的因素  92-94
    5.3.3 试验验证  94-95
  5.4 脉冲激光加工裂解槽常见缺陷及控制  95-99
    5.4.1 裂解槽深度缺陷  96-97
    5.4.2 裂解槽长度不足/过切  97-98
    5.4.3 裂解槽连续性差  98
    5.4.4 裂解槽位置精度差  98-99
    5.4.5 其它常见缺陷  99
  5.5 主要工艺参数确定  99-100
  5.6 本章小结  100-102
第六章裂解槽热影响区微观组织研究  102-116
  6.1 试验材料及方法  102-103
  6.2 连杆试验结果与分析  103-106
    6.2.1 热影响区显微组织  103-104
    6.2.2 显微硬度与槽根附近硬化层深度变化  104-106
  6.3 箱体主轴承座试验结果与分析  106-110
    6.3.1 热影响区显微组织  106-108
    6.3.2 显微硬度与槽根附近硬化层深度变化  108-110
  6.4 讨论  110-114
    6.4.1 典型材料热影响区对比分析  110-113
    6.4.2 典型材料断裂面分析  113-114
  6.5 本章小结  114-116
第七章结论与展望  116-120
参考文献  120-128
作者简介及在学期间所取得的科研成果  128-130
  1.作者简介  128
  2.已发表的学术论文  128-130
致谢  130

连杆/箱体主轴承座裂解槽脉冲激光加工数值模拟及试验研究

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