机械加工变形分析

2024-06-10 版权声明 我要投稿

机械加工变形分析(共12篇)

机械加工变形分析 篇1

关键词:加工,机械,变形

机械加工变形, 是指在机械的加工过程中出现不受本来既定目标和操作的控制, 因为各种因素的影响而发生的变化, 造成了零件最终变形的结果。

1 变形的类型

引起变形的因素多种多样, 也促使机械变形的种类多种多样, 解决好这些影响的因素, 是防止机械变形的主要措施, 本文主要分析常见几种机械变形的影响因素。

1.1 空间外力引起的变形

这一类变形是有弹性的, 其主要原因是由外力引起的。这种现象主要因为切削力度的外部作用引起的, 当这一切削力度消失, 零件失去了外部压力, 会出现弹性恢复的状态。而零件受到压力变形时, 刀具就没有办法按照原有的设置切除不需要的部分, 当恢复时, 零件没有被“加工”[1,2], 因此而造成零件的废弃。

1.2 外圆加工时的变形

在对大长径零件的加工时, 为了坚持悬臂梁模型的原则, 现代工艺主要使用机械加工中的三爪夹紧刀具一侧的方法。但是因为零件受到的压力时同等的, 根据力的恒定原则。另一端未被夹紧的夹具没有受到同等的外部压力, 则会造成同一刀具的两端受压不平衡, 刀削掉的材料不同而出现变形, 形成倒梯形的分布。在加工完成后, 刀具的行动沿虚线转动, 在被夹紧的一侧受到压力小, 直径增大, 另一侧相反, 出现倒锥形的变形。

1.3 端面加工时的变形

在对小长径的零件加工时, 特别是较薄的片状零件加工, 主要采取的加工方式是利用电磁力的作用, 用吸盘将薄片从底端吸住以保证零件不移动, 再使用机械在上端的表面进行加工打磨。在加工过程中, 机器打磨不到本来应该消除的材料, 当吸力的消失, 零件恢复初始状态, 平面度依然不合格。

1.4 零件自身特质的变形

当零件自身是悬臂或者薄片时, 零件因为自身刚性的不足, 再加上外力作用 (错误的定位、不正确的夹紧) 时, 出现弹性变形, 产品质量达不到预先图纸的要求, 出现零件的报废。

2 影响变形的因素

2.1 内应力失去平衡引起的变形

在零件的加工中, 受到热处理的影响, 打破了零件自身内部的内应力平衡状态。在加工受热后, 经过一段时间的冷却, 要重新组织出平衡的形态, 因此而出现的变形。在不同的零件加工中, 会出现不同形式的变形。

2.2 外部力作用引起的变形

在零件的加工过程中, 装卡的方式不同引起零件的加工变形, 从而影响零件的精准度难以达到图纸的要求。这种情况主要是在车床的加工中, 零件由四爪的卡盘来夹紧, 主要力的作用来自径向力。

3 减少机械加工变形的方法

零件加工过程中受到了各种因素的影响, 发生变形的状态。这种变形主要由外力的作用而引起的弹性变形。虽然造成的情况不同, 但是总的来说是因为零件自身的刚性不足, 容易受外力作用的影响。因此, 要减少零件加工变形的主要方法就是增加零件的刚性。例如, 在大长径零件的加工中, 因为悬臂梁方式容易造成变形。因此, 在加工时夹紧方式改用两端夹紧, 利用前面的驱动来做主要定位。将受力模型从悬臂梁模型改变到简支梁模型, 增加零件的刚性和力承受能力, 减少变形。在加工小长径和较薄的零件时, 打磨刀削表面过程中, 增加中间层 (布或者厚纸层) 以减少零件和工作台之间的吸力, 从而降低变形的机率。在加工铸铁类的零件时, 同样为了增加零件的刚性, 在悬臂的部分, 改变夹具的设计, 增加浮动支承同时采用在零件变沿部分夹紧的方式, 减少加工过程中, 因为零件受到外力的夹紧影响而造成的变形。

在热处理后出现的变形, 则需要及时处理加工后的零件, 提高零件自身的质量, 在受热变形前, 使内应力达到平衡状态。在受热处理变形后, 进行再加工, 以减少零件的质量不合格机率。同时增加零件的刚性, 采用有限度的热处理方式, 将变形控制在一定的限度之内等等方式。

减少机械加工中的变形还可以改变零件的装卡方式, 在每一步骤中设计专用的胎具, 减少零件在热处理中受到的径向力[3,4]。在精车时, 用径向力夹紧胎具, 再垂直夹紧零件, 零件则通过胎具改变了径向力的受力状态, 减少零件的变形。

4 结束语

零件在加工中的变形直接影响零件的质量合格率, 因此利用改变加工的模式或者加工装卡的方式来减少零件的变形, 其主要原则还是增加零件的刚性, 以抵制外力作用带来的变形。

参考文献

[1]李世春.刚度对套筒类零件加工精度影响的研究[J].装备制造技术, 2009, (3) :19-21.

[2]闫耀国.热变形在绞车安装及闸盘变形处理上的应用[J].中小企业管理与科技 (下旬刊) , 2011, (10) :310.

[3]龙骐.浅谈电动机的软起动[J].南方农机, 2007, (2) :38.

机械加工变形分析 篇2

直言命题变形推理特例分析

传统逻辑学的演绎推理是在一定的条件限制之下进行的..直言命题变形推理形式“SAP→SOP”的成立,超出了传统逻辑理论中“前提中不周延的项在结论中不得周延”这一普遍规律的限制.我们可以把“SAP→SOP”这一推理形式看成直言命题变形推理中的特例,但不应该把它看成亚里士多德开创的传统逻辑学的缺欠和不足.

作 者:杨彬 作者单位:红河学院人文学院,云南,蒙自,661100刊 名:红河学院学报英文刊名:JOURNAL OF HONGHE UNIVERSITY年,卷(期):2(5)分类号:B812关键词:传统逻辑 名词变项 直言命题 变形推理

细长轴车削变形和加工研究 篇3

【关键词】有限元分析;工艺;夹具

由于细长轴长径比大、刚性差,在车削时,切削热、振动、切削力、重力、切削力等因素对其加工有着重要的影响。如图一所示,饰品机械中的圆柱蜗杆【梭杆】,工件长度为378mm,直径为φ10mm,长径比L/d≈40,表面粗糙度和精度都有较高的要求。如果采用传统的车削方法,车削时易产生振动和弯曲变形,从而严重影响加工的精度和效率。为此,理论上进行变形分析研究,实践中经过大量试验并设计出新型拉紧夹具,采取了一定的工艺措施,可加工精度要求较高的细长轴。

图一  圆柱蜗杆【梭杆】

一 影响细长轴加工变形的因素和常见加工误差

影响细长轴加工变形的因素如图二所示。振动导致切削异常现象,造成细长轴加工表面的各种形状误差,常见的细长轴车削加工误差的分为三类:(1)表面粗糙有细小针叶状的振纹(2)麻花形误差有扭曲的带状振纹(3)竹节状形状和尺寸误差。

图二  多种因素对细长轴精度的影响

二 细长轴车削变形的理论分析

(1)装夹方法

三种装夹方法:一夹一顶方式,前端采用三爪卡盘夹紧、尾部采用弹性活顶尖;两端顶方式,前端采用死顶尖、尾部采用弹性活顶尖;一夹一拉【两端拉】方式,前端采用三爪卡盘夹紧、尾部采用死顶尖定位并采用专用夹具拉紧;这三种方式都采用可调浮动跟刀架作为辅助支承。

(2)受力模型

细长轴车削过程中,切削力及其作用点是动态变化的;为了分析细长轴车削过程中变形,把工件材料认为是理想弹性体,约束进行简化:将卡盘夹紧处简化为固定约束;尾部采用弹性活顶尖顶紧或拉紧的方式,认为顶紧(或拉紧)力是恒定的,顶尖处可简化为一简支约束。

(3)切削力的计算

图三 细长轴车削时受力分析

细长轴车削时受力如图三所示,Fv为主切削力,Ff为进给切削力,Fr为径向切削力,F为总切削力。在切削钢件梭杆时切削力的大小近似计算如下:

Fv≈2000×ap×f=2000×1.2×0.12=288(N)

Ff≈0.25×Fv =0.25×288=72(N)

Fr≈0.4×Fv =0.4×288=115.2(N)

公式中:ap—切削深度,mm;

F—进给量,mm/r;

(4)变形的有限元分析

细长轴车削时受到径向、切向、轴向3个方向的外力,采用有限元法取10个结点,进行径向、轴向即如图三所示的X、Y、Z三个方向的变形进行了分析,分析的结果如图四、图五所示。通过分析,在同等切削条件下,一夹一拉方式加工变形只有一夹一顶方式的1/3—1/5;所以采用一夹一拉【两端拉】装夹方式比其他两种传统装夹方法,可有效地减小振动和变形。

图四 一夹一拉方式细长轴的变形曲线

图五 一夹一顶方式细长轴的变形曲线

三 细长轴加工的工艺方法

3.1 合理选择装夹方法

细长轴加工中常用的装夹方法有:1、一夹一顶方式  2、两端顶方式;用跟刀架或中心架作为辅助支撑来增加工件的刚性,对刚性较好的可以采用,但对于长径比很大的细长轴,由于顶尖的顶力作用,致使轴在加工中受到的径向弯曲力加大,从而使轴的弯曲变形加大。再加之切削热的作用,工件热伸长增大了轴的弯曲变形。因此,一夹一顶的传统方法,加工细长轴,不能很好的消除弯曲变形。一夹一拉【两端拉】方式拉紧力越大加工效果就越好;根据前面的分析可知,由于两端拉力,致使轴在加工中受的径向弯曲力减小,而使轴的弯曲变形减小;即使切削热使工件受热膨胀增长,拉紧力能有效地防止工件伸长变形,因此,一夹一拉【两端拉】方式加工方法与传统加工方法相比,能有效地加工精度。

3.2合理选择切削用量

切削用量对细长轴加工有显著的影响;当工件材料为中碳钢或中碳合金钢,选用刀具材料为YT15硬质合金时的切削用量如下:

(1)切削速度VC的选择:车削细长轴时,一般当VC=60m/mm左右时,容易产生振动。故粗车时,取VC≦50m/min;精车时取VC≧70~100m/min。

(2)进给量f的选择:粗车时取f=0.12—0.2mm/r,精车时取f=0.05—0.08mm/r。

(3)切削深度ap的选择:车削细长轴时,随着ap增大,振动和变形不断增大。故粗车时取ap =0.8-1.2mm,精车时取ap =0.08-0.12mm。

3.3 合理选择刀具几何形状

合理地选择刀具几何形状,能够保证细长轴加工的平稳性,保证零件的加工精度和表面质量。

(1)前角γ。:为减少切削力和切削热,应该选择较大的前角,随着前角的增大,振动随之下降。因此在粗加工中取γ。=15-20°,精车时取γ。=25°-30°。车刀前面磨出R1~2.5的断屑槽,有利于断屑和排屑。

(2)主偏角κr:刀具的主偏角是影响径向切削力的主要因素,在不影响刀具强度情况下,尽量增大车刀主偏角。因此在粗车削细长轴时取κr=80~85°,精车时取κr=85~93°。

(3)主后角α。:后角为4~5°时,对振动有明显的抑制和减弱作用,后刀面超越急剧磨损阶段,达到一定程度的磨损时,会有显著的减振作用。

(4)刃倾角λs:选择正刃倾角,取λs=3°使切削屑流向待加工表面,避免划伤已加工表面并使削屑卷屑效果良好。

(5)刀具圆弧半径rε:刀尖圆弧半径rε增大时,径向切削力随之增大,为避免振动rε越小越好。但随rε的减小,会使刀具寿命降低,同时也不利于表面粗糙度的改善。选择较小的刀尖圆弧半径rε=0.2-0.4。

3.4 使用乳化液进行充分冷却

由于切削热引起零件伸长变形,伸长变形与温升成正比,因此必须有效控制零件温升。采用乳化液对加工工件进行充分冷却、润滑,降低切削热、减小热变形和刀具磨损,从而提高加工精度。

四 细长轴加工的新型夹具【拉具】

图六 细长轴车削加工的夹具【拉具】

1、U型卡圈 2、拉紧螺套 3、莫氏0号顶尖 4、芯轴 5、密封圈 6、端盖螺母 7、推力球轴承 8、单列向心球轴承 9、外调整套筒 10、内调整套筒 11、拉具主体 12、圆螺母M18  13、聯接螺套 14、哈夫卡具 15、螺母M10  16、螺栓M10×25

根据细长轴车削加工易产生振动和变形,而采用一夹一拉【两端拉】方式,能很好地防止弯曲变形,能有效地提高工件的加工精度和加工效率;为此设计了细长轴车削加工的新型夹具【拉具】如图六所示。顶尖3通过莫氏0号锥度与芯轴4配合,芯轴4用推力球轴承7、单列向心球轴承8承受径向力和轴向力。工件加工出工艺台阶如图一所示,顶件3在顶紧工件保证定位精度的同时,又通过U型卡圈1和拉紧螺套2与芯轴4紧密相连;拉具主体11通过联接螺套13和哈夫卡具14与车床尾夹相连,车床尾架在床身上锁紧后,向后拉动夹具实现工件的拉紧。实践证明,用新型夹具【拉具】加工细长轴,很好地防止弯曲变形,能有效地提高工件的加工精度和加工效率。

结 论

通过理论分析和实践中反复试验,采用一夹一拉【两端拉】方式的装夹方法加工细长轴,能够有效地控制振动和变形,改善细长轴的加工质量,保证了加工精度,提高了加工效率。

参考文献:

[1] 刘越. 机械制造技术.化工出版社,2001

[2] 张幼帧. 金属切削原理及刀具. 航空教材编写组.1984

某电厂加工设备应力变形分析和研究 篇4

中国人口的数量众多, 随着社会的进步, 人们生活质量的提高, 用电量激增是现代化的要求。为了增加发电量, 就需要扩大发电机组的容量, 对电厂的发电机组进行改造。需要利用非标设备对汽轮机高压内缸汽封内侧端面进行加工处理, 该设备为端面镗。其端面圆形, 且垂直于地面, 该设备也需要垂直与地面, 因此要考虑设备安装后自重对其的刚度影响并作以进行分析。

1 端面镗和高压内缸的结构尺寸

端面镗的结构和尺寸如图1 所示, 切割端面外圆直径为1210 mm, 固定端约束直径为2690 mm, 设备总重约2.5 t, 由此可见尺寸大、重量大, 安装后变形情况很严重, 若因自重变形, 会对加工产生不利的后果, 将直接导致有的地方加工不到位, 有的地方过加工, 这是绝对不允许的现象。该设备由液压马达驱动, 刚性部分由支撑横梁、刀架横梁、刀座、轴承和螺栓等组成。该端面镗上的刀架夹持刀具绕高压内缸轴线做回转切削运动。

为了确保在电厂现场加工高压内缸端面时能够安全可靠地进行, 需要一次加工生产到位, 在设计合理的结构外, 需要对其刚度进行分析, 主要分析其在自重情况下的形变。应用Siemens NX8.0 的建模模块对端面镗进行实体建模, 并且应用设计仿真模块进行刚度的有限元分析。

2 建立端面镗的Siemens NX8.0 三维模型

打开Simens NX8.0->NX 8.0, 选择零件建模模块, 设置基准坐标系为显示状态, 观察分析该端面镗设备, 很明显当刀架在最上面, 刀架横梁为竖直, 刀架横梁与支撑横梁垂直时, 端面镗变形量最大, 也就是说此时的刚性最差。因此以XOZ平面为基面, 将整个装配体的刚性部分建立成一个实体。将建立好了的数据模型保存在英文目录save下, 命名为part_dmt.prt, 实体模型如图2 所示。

3 应用Siemens NX8.0 进行变形分析

用Siemens NX8.0 打开建立的part_dmt.prt模型文件, 选择“设计仿真模块”。首先为端面镗设定材料属性, 选择指派材料按钮, 选择其中的Steel, 系统默认将Steel的物理属性赋予相应的值。由于是在自重情况下计算变形情况, 因此在载荷类型中选择重力。该设备是用螺栓刚性连接到高压内缸的中分面上的, 因此约束类型选择固定约束。网格配对条件中的搜索距离为3 mm。同ANSYS一样, 需要进行网格划分, 选择“3D四面体网格”, 单元大小设置为10 mm, 网格控制选项单元数为3, 确定并全部保存, 观察网格划分情况如图3 所示。

前期处理工作已经设置完成, 对有限元模型检查, 观察提示框中的文本, 提示成功无误后对整个模型进行解算, 查看计算结果。形变云图和应力云图如图4、图5 所示。进入高级仿真模块可以以动画的模式观察在自重的情况下的变形过程和应力变化情况。

可见受自重的影响, 最上端刀架处的位移变形的最大为0.0454 mm, 最大应力为6.655×10-5MPa。变形量不大, 应力集中点的应力也很小, 因此, 满足刚度需求, 充分验证了结构设计的合理性。

4 后处理

应用Siemens NX8.0 对端面镗的模拟运算结果符合实际试验的数据, 与设计的结构形变相吻合, 充分证明了其结构的合理性。应用有限元软件进行计算, 结果准确科学, 可参考价值非常高, 实用性非常强。由于电厂发电机组改造的意义巨大, 因此该端面镗设备的精度和实用性非常重要。仅仅做抽象的简化模型进行基础运算是很难满足结构设计的要求的。

5 结语

综上所述, 合理地运用一些有限元软件, 如ANSYS和许多三维软件自带的有限元仿真模块, 进行合理的建模, 选取适当的约束和受力, 会起到事半功倍的效果, 会使设计的结构合理, 避免刚性不足和应力集中现象。另外特别的是对其合理的划分网格, 当结果在允许的范围内时, 会使运算速度大大提高。可以说有限元为实验和实践提供了基础的保障。

摘要:随着火力发电的发展, 电厂为了扩大发电机组的容量, 需要对汽轮机进行改造。因此需要设计一套非标设备对汽轮机的高压内缸汽封内侧端面进行补充加工。端面为垂直于地面, 设备也只能垂直于地面进行加工, 设备的刚度会直接影响加工的精度。对设备建立实体模型, 进行有限元分析, 计算器刚度变形。

关键词:ANSYS,刚度,变形,设备

参考文献

[1]成大先.机械设计手册[M].5版.北京:化学工业出版社, 2008.

[2]汪玉林.汽轮机辞典[M].北京:化学工业出版社, 2009.

斜切喷管工作过程结构变形数值分析 篇5

斜切喷管工作过程结构变形数值分析

文中分析了某火箭发动机钼合金斜切喷管工作过程中的变形,首先通过对喷管内流场的数值仿真计算,确定喷管内型面承受的温度和压力载荷.然后基于三维有限元模型,对温度和压强耦合作用下的喷管应力场和形变进行了分析.对计算结果与试验测量值进行了对比,较为接近,证明结论可信.

作 者:李明 寇军强 LI Ming KOU Jun-qiang  作者单位:中国兵器工业第203研究所,西安,710065 刊 名:弹箭与制导学报  PKU英文刊名:JOURNAL OF PROJECTILES, ROCKETS, MISSILES AND GUIDANCE 年,卷(期): 27(2) 分类号:V435.23 关键词:斜切喷管   有限元   数值分析  

机械加工变形分析 篇6

关键词:焊接变形;影响因素;控制工艺

中图分类号:TG441 文献标识码:A 文章编号:1009-2374(2014)12-0047-02

1 对焊接应力和变形的释义

焊接是通过加热、加压,或两者并用,使两工件产生原子间结合的加工工艺和联接方式。焊接应用广泛,既可用于金属,也可用于非金属。

在没有外力的情况下,物体内部存在的应力称为内应力,内应力在物体内部自相平衡,即物体内部各方向的内应力总和等于零。而焊接应力则是焊接应力是焊接过程中及焊接过程结束后,存在于焊件中的内应力。主要有热应力、残余应力、装配应力、相变应力等。

焊接变形是在焊接过程中由于焊件不均匀受热和不均匀温度场而引起的焊件尺寸的改变。在焊接过程中,不均匀的加热,使得焊缝及其附近的温度很高,不受热的冷金属部分便阻碍了焊缝及近缝区金属的膨胀和收缩,这就容易产生变形。特别是在冷却后,焊缝就产生了不同程度的收缩和内应力,就造成了焊接结构的各种变形,这些变形大致可以分为瞬态焊接应力和变形、残余焊接应力和变形两种类型。在没有外力作用的条件下,焊接应力在焊件内部是平衡的。焊接变形的主要形式有收缩变形、角变形、弯曲变形、扭曲变形、波浪变形和错边变形等多种形式。

2 对焊接变形带来的危害分析

焊接变形对机械产品的制造和使用的危害主要体现在以下几个方面:

(1)使机械产品承载能力下降。焊后产生的残余应力和焊接变形降低了接头性能,使焊件或部件的尺寸改变,引起局部较大的附加应力,虽然可以采取矫形手段纠正,但矫正的部位会消耗掉一部分材料的塑性,导致承受载荷能力下降,严重时甚至会导致脆断,造成机械设备损坏的恶性事故发生。

(2)使机械产品装配质量下降。当机械设备的各部件由于焊接变形导致钢结构内部产生附加应力,在组装各部件时,产生扭曲、错位等情况,造成装配整体变形,使整个构件丧失稳定性,导致设备装配质量严重下降,有时甚至产品报废。

(3)使机械产品抗腐蚀性下降。焊接是产生大量的热,使得焊缝接口与周围环境气体中的C、O、H、N等气体产生化学反应,改变接缝材质。矫形后,在强大的外力作用下会导致焊缝的塑性和韧性明显变差,导致脆性增加极易产生裂纹,从而使焊接接头的抗腐蚀性随之下降。

(4)使机械产品制造成本增加。焊接变形使机械部件组装变得困难,需要经过矫形后方可装配,而校正要消耗大量的人力和物力,给生产增加许多额外的工序,延长了生产周期,影响了生产效率,增加了机械的制造成本,造成不必要的浪费。

3 对焊接变形产生原因的分析

影响焊接应力与变形的因素很多,焊件的不均匀受热、焊缝金属的收缩、金相组织的变化及焊件材质的不同等等。一般归纳总结主要有以下三方面的因素。

(1)受材料因素的影响。焊接离不开焊丝和焊接母材,这两种材料的化学成分不同,焊接性也不同。当前在焊接领域,决定强度和可焊性的因素主要是含碳量。碳当量越大,焊接性能越差。

(2)受设计因素的影响。机械产品在设计时,因为需要满足承重、支撑等能力要求,就必须采用筋板或肋板来提高整个产品的刚性和稳定性。但由于焊接变形的不可控性,采取这样的设计理念自然就难以避免的增加了焊接变形的几率。

(3)受焊接工艺的影响。焊接常用手工焊、CO2气体保护焊、埋弧焊、氩弧焊等多种方式,各种焊接方法差异,使变形也各有差异。同时,由于受选用的焊接接头形式的不同和多层多道焊接的影响,也会使接头塑性变形区增大。

4 预防与控制焊接变形的具体措施

焊接应力和变形影响焊件的功能和外观,给产品制造工艺增加困难,还会因焊接变形过大导致产品报废,造成巨大经济损失。因此必须予以严格控制。

(1)要卡住源头,从设计措施上进行预防。焊接变形的必然性决定了只要有焊接必然有变形和应力产生。因此,要将变形的危害量降至最低,在设计焊接结构时,一是要合理选择焊接工件。有效减少和控制不需要出现的焊缝,尽量选用型钢、冲压件、锻件来替代焊接件。同时要注重优化设计相关筋板、肋板的形状、位置和数量,减少因此而产生的焊缝量和变形后的校正工作量。二是要科学设计焊接尺寸。众所周知,焊缝越宽越深,在受热后冷却时收缩引起的变形量就越大。因此,要在保证产品性能符合设计要求的基础上尽量减少焊缝的数量和尺寸,设计时应尽量选用较小的焊脚、坡口尺寸,尽可能的减少焊缝的横截面积和熔敷金属量,以减少焊接变形量。三是要合理设计焊缝位置。由于焊缝横向收缩量大于纵向收缩量的特性,所以在设计的时候要充分考虑到这一收缩的特性,尽量将焊缝布置在平行于要求焊接变形量最小的方向,使其与焊件的截面中心线或轴线对称,避免设计曲线形结构,这样对于减少梁、柱等主要支撑结构的变形能起到较好的防范效果。

(2)把握过程,从焊接工艺措施上入手工艺措施是焊接构件生产制造过程中所采用的一系列措施,正确地选择和严格遵守焊接程序,是减小焊接变形和内应力的有效方法,更是保证焊接质量的重要措施。因此,在施焊过程中,要认真做好焊前的各项预防措施。一是可以通过采取反变形法,在焊接时人为造成与焊接变形量大小相当、方向相反的预变形量,通过焊后变形收缩来抵消预变形量,使焊接件达到设计要求的几何形状和尺寸。这种方法特别适用于机械设备的外壳焊接上,保证外壳不会塌陷;二是可以采取预拉伸法,通过机械等形式预先将焊件拉伸与伸长,并在张紧的钢板上进行焊接,焊后去除预拉伸,使钢板恢复原始状态。三是可以采取刚性固定法,通过夹具或刚性胎具将被焊工件加以固定,从而有效降低焊接残余应力,防止变形。但刚性固定法会使焊接接头中产生较大的焊接应力,所以对于一些抗裂性较差的材料应该慎用。四是要针对不同的构件形式采用不同的焊接方法。焊缝位置、结构截面对称的焊接结构,应先装配成整体,然后再按一定的焊接顺序进行生产,反之,则可以分别装焊成部件,最后再组焊在一起,有效地减少变形。同时还可以采用合理的焊接方法、工艺参数、焊接次序,通过先焊短焊缝后焊长焊缝、尽可能采用多层焊代替单层焊、间断焊接法、强制冷却法等措施降低焊接残余应力、减小焊接变形。

机械加工变形分析 篇7

薄壁件是一种轻量化结构, 其主要组成为薄型壳板、框架、梁、壁板、加强筋等基本结构, 薄壁结构具有造型和结构复杂美观、重量轻等优点, 在航空航天、通信雷达等高精尖领域中应用十分广泛。 但薄壁零件刚度较差, 零件加工过程中极易发生变形, 造成零件厚度不均匀, 尺寸公差和形位公差增大, 甚至造成废品, 无法保证零件的加工要求。

影响薄壁零件加工精度的因素有很多, 主要包括受力变形、振动变形、受热变形等因素, 由于薄壁结构自身特点, 很难用传统方法进行变形分析, 因此采用有限元技术, 分析并模拟薄壁件的受力情况、温升情况, 并最终获得零件的变形模型。根据零件的变形模型, 修正数控加工过程中刀具和零件的相对位置, 从而达到提高零件质量的目的。 ANSYS是有限元分析中常用的软件, 该软件的应用对提高薄壁零件加工精度有重要意义[1]。

2.有限元原理和分析步骤

2.1有限元分析原理

有限元分析软件的原理是将一个整体结构按照一定规律分成若干个有限的独立离散单元, 各离散的单元按照一定的原则设定有限的节点, 通过在这些独立的计算单元中建立合适的基函数, 分析和计算离散单元中场函数的分布规律, 求解各个节点的值, 并通过基函数的合理组合代替独立单元的真实值。 各离散单元通过各个节点联系在一起, 用离散单元基函数组成整个计算域上总体的基函数, 整体结构在计算域内的解由各独立单元的综合结果近似而成[2]。

2.2基于有限元变形分析思想

基于有限元变形分析的主要思想是在有限元软件的平台上, 利用机械加工中相关的切削力等理论公式及相应的边界条件, 计算出加工过程的误差, 然后在实际加工过程中将偏差值通过编程等方法予以补偿。 分析过程如图1所示。 有限元分析的应用, 使得零件加工的实验成本大大降低, 研究周期大大缩短。

3.薄壁件有限元模拟

3.1有限元模型建立

有限元模型的建立是有限元分析的基础, 主要包括几何模型的建立和材料模型的建立。 在几何模型建立过程中, 主要通过所使用的有限元软件选取合适的工件和刀具, 选用原则为工件和刀具要符合待模拟的加工过程。 材料模拟过程首先要明确所要进行模拟的零件的材料, 在软件环境中选择要模拟的材料的相关参数, 主要包括材料的力学性能参数, 例如弹性模量、塑性模量、热膨胀系数、屈服极限、泊松比等基本参数。

3.2有限元网格化分

在基本模型建立之后, 要进行有限元网格划分。 网格划分是进行有限元数值模拟分析的关键性环节, 直接影响着后续数值计算分析结果的精确性。 网格划分要考虑单元的许多设置, 包括单元形状、类型、拓扑类型、网格生成器的选择、网格的密度、单元的编号及几何体素, 其中单元类型的选用对于分析精度有着重要的影响, 对于薄壁结构零件采用平面应力单元, 自由空间曲面的薄壁结构采用膜壳单元。 有限元网格划分有两种方法, 简单的结构可以采用直接生成法, 直接建立单元模型的网格, 当对象比较复杂时, 则在几何元素描述的物理基础上自动离散成有限单元, 即通过几何自动生成法来完成[3]。

3.3添加约束和载荷

分析薄壁零件的受力, 根据零件的受力特点和规律, 将约束和载荷抽象化、理想化。 通过对已建立的有限元模型添加合适的载荷和约束, 实现对几何模型进行相关的力学分析。 在添加载荷和约束中, 薄壁件铣削加工的力学模型的选择和确定是模拟分析的关键。 由于刀具、工件材料、加工特点等多种因素的影响, 零件的受力是个复杂多变的情况。 目前应用较多的力学模型是:OXLEY切削理论为基础的铣削力理论模型、KLINE平均力学模型和WON-SOOYUN的三维力模型。 以上三种为空间静力学模型, 随着研究的进一步深入, 针对不同的加工特点, 又有许多学者提出了更多的力学模型。 在薄壁件铣削加工过程中, 机床参数、刀具几何参数、切削参数都会影响切削力的大小, 每种因素在切削力中所占的比例也不尽相同, 在铣削过程中, 常用的公式为:

式中:CFe为切削系数, 由切削材料和加工条件确定;V为铣削速度;ap为铣削深度;f为进给量;aw为铣削宽度;d为刀具直径。 在实际加工中, 重要的是根据实际加工特点确定公式中的各个参数。 但薄壁件加工中过程参数和动力学行为之间是非线性关系, 因此要根据零件的实际变形, 修改按照公式计算出的切削力。如果力学模型并未考虑材料的性能和刀具的几何形状, 当二者发生变化时, 要适当调整力学模型的相关参数[4]。

当被加工零件为薄板结构时, 荷载加载到零件上, 每一个荷载都可以分解为两个分荷载, 即横向荷载和纵向载荷, 横向载荷垂直于零件中面, 使薄板产生弯曲, 因此该方向载荷引起的应力、形变和位移, 应该按薄板弯曲问题进行计算。 纵向荷载是沿薄板厚度均匀分布, 符合平面应力基本特点, 因此纵向载荷引起的应力、形变和位移可以按平面应力进行计算。 薄壁表面铣削中, 主要研究五个问题: (1) 铣削力的主要作用方向等同于纵向载荷情况, 因此取等厚薄板使之只受到平行于该面的外力作用, 模型可以简化如图2所示, 我们可以按照平面应力应变问题来分析。 (2) 根据弹性力学的有关理论, 求出平面问题中形变分量与位移分量之间的关系式。 (3) 根据胡克定律导出变形分量与应力分量之间的关系式。 (4) 变形协调方程。 (5) 利用边界条件求解应力函数。

3.4后处理

利用有限元软件平台提供的后处理器, 获得计算及分析结果, 并将零件的变形值和应力分析结果, 以云图和列表的形式输出。 结果是否正确, 应进行试验验证, 即将计算值和实验值进行分析比较, 误差若在允许范围之内, 则整个模拟成功, 否则需重新调整模拟过程, 直到差值在允差范围之内。

4.薄壁件补偿加工

通过对薄壁件加工加工变形进行有限元建模, 可以提前预测工件变形值。 在进行数控程序编制中, 据利用数控机床的补偿功能, 将变形值数体现在数控加工程序中, 即在数控编程时, 让刀具在原有走刀轨迹的基础上连续偏摆, 按变形量附加连续让刀量, 保证了在连续加工中去除由于变形所带来的欠切削, 使得一次走刀即可保证薄壁件壁厚精度, 避免了二次加工带来的装夹误差、加工误差等, 从而达到控制薄壁件加工变形、提高加工精度的目的。

5.结语

切削力模型和约束载荷模型是薄壁件有限元分析的基础, 通过切屑力的分析和试验, 建立准确的切削力模型, 形成精确的变形模型, 利用软件平台进行迭代分析, 最终为数控加工提供有效编程依据, 是提高薄壁零件加工质量的有效途径。

参考文献

[1]姚荣庆.薄壁零件的加工方法[J].机床与液压, 2007 (8) .

[2]方刚, 曾攀.切削加工数值模拟的研究进展.力学进展, 2001, 31 (3) :394-404.

[3]黄志刚, 柯映林, 王立涛.金属切削加工有限元模拟的相关技术研究.中国机械工程, 2003, 14 (10) :846-849.

[4]王立涛, 柯映林, 黄志刚.航空铝合金7050一T7451铣削力模型的实验研究.中国机械工程, 2000 (14) :1684-1688.

机械加工变形分析 篇8

数控冲床具有加工范围大、柔性化程度高、成本低的特点,在钣金加工中得到越来越广泛的应用。数控冲床冲压加工中,常常会遇到工件变形的情况,特别是当工件上孔、筋、槽较多时,零件变形犹为严重。图1所示零件,加工出来常成扭曲变形,必须增加后续整形工序,费时费力。

2 零件分析

分析一下两种零件的异同:零件一的中间部位材料被完全切除掉,只留四边细边框;零件二的中间部位材料被大量切除,中间以几道细筋连着。这两种零件有个共同点,就是加工过程中有大量的材料从毛坯中切除。

3 加工过程分析

以零件一为例,数控冲床的常用加工编程轨迹:先冲孔,次冲内圆弧,再用方冲头把中间部位材料打碎掏空,最后切边刀把零件切下。最后一道工序一般由两个人配合操作,一个人负责操控机床,一个人守候在冲头边,机器切完最后一刀后,机床暂时停顿,零件从毛坯板脱落,工人用镊子把零件取下来。操作机器的工人再启动机床切第二个零件,周而复始,直到把零件全部加工完成。冲裁过程中卸料板悬空距离板面0.5mm左右。这种编程方法排料时零件和零件之间只留切刀宽度,切边时同时切出相邻零件的邻边轮廓,加工速度快,节约材料。但是加工出来的零件严重扭曲变形。技术人员取消方冲头打碎掏空中间部位这一步骤,只加工圆孔和外轮廓。加工出来的零件变形相对于前一种零件则小得多。从而得出结论:打碎掏空中间材料是引起加工变形的重要原因。图2为冲裁过程模拟。

3.1 冲裁过程分析

冲裁由凸模和凹模完成,凸模和凹模组成一组刃口,把材料压在中间,凸模逐步靠近凹模,使材料分离。整个过程可以分成三个阶段(图3)。

(a)弹性变形阶段:由于凸模所施加的压力,材料产生弹性弯曲并略挤入凹模口。在这一阶段,若板材应力没有超过材料的弹性极限时,当凸模卸载后,材料会立刻恢复原状。

(b)塑性变形阶段:材料受力已超过弹性限度。这时凸模挤入材料,同时材料也挤入凹模,由于材料反抗凸模及凹模的挤入,产生弯矩,在弯矩M作用下材料弯曲。这时已经有微小裂纹发生。

(c)剪裂阶段:随着凸模继续下行,已形成的上,下微小裂纹将逐渐扩大,并向材料内部发展,当上下裂纹相遇重合时,材料便开裂分离,完成整个冲裁工作。

在弹性变形阶段和塑性变形阶段材料都产生扭矩使材料变形,塑性变形阶段产生的是永久变形。在零件一的加工过程中加工中间方框时采用的是方冲头打碎的方式,冲击次数太多,再加上零件的边框和筋都很细,冲裁产生的扭矩使得板材产生的变形量很大。由此可见,减少加工过程中的冲击次数和预防扭矩力变形是解决加工变形的主要途径。

3.2 相应解决方案

3.2.1 修改编程方式

技术人员修改编程方式,中间方框不再采用打碎掏空的方式,而是采用细长模具切断。

如图4所示,用细长切断模具加工零件内形,方框中部的毛坯废料不打碎,而是通过微小连接与零件内形连接,细长切断模具加工零件外形,不完全切断,留几处微小连接部位与毛坯板材连接。阴影部分为细长模具加工轨迹。零件和零件之间间隔5mm~10mm左右的带框。方框中间部位不打碎,减少了冲击次数;尽管零件的框和筋的尺寸都很细,但零件的内外形与毛坯废料微连接,增加了强度,减小了工件的变形量。微连接数值的选取也是很重要的工艺参数。数值取得过大,冲裁结束后不容易脱落;数值取得过小,冲裁工作还没结束,工件已经脱落,轻则造成报废,严重的甚至会引起模具和机床损坏。表1为微连接选取值的经验数值。

3.2.2 应用压料冲

已知在塑性变形阶段材料反抗凸模及凹模的挤入,产生弯矩,在弯矩M作用下材料弯曲是零件加工变形的重要原因。解决这个问题的方法就是应用压料冲。在冲裁的同时卸料板紧紧压住板材,在卸料板的阻碍作用下,弯距M无法使材料变形。冲裁结束,卸料板松开,冲头上抬,板材中残存的剪切应力导致的板材变形是很小的。压料冲的缺点是冲裁速度将有一定程度的降低。数控冲床的工作模式是步冲式,冲击一次后,夹钳带动板材移动,冲头在新的位置冲裁;如果应用压料冲功能,每冲裁一次,卸料板要抬起来,方便板材移动,这样冲裁速度势必受到一定影响。但是相对于加工中产生变形,增加后续校平工序的工作时间来说,这种冲裁速度上的影响是可以忽略不计的。而且冲裁过程中如果板材变形太大,板材在移动过程中很容易撞到转塔或冲头。

3.2.3 斜刃(微声模具)冲裁

常规模具采用的是平刃口冲模,冲裁时沿着整个零件的外形轮廓同时发生,所需的冲裁力较大,同时作用于板材的弯距也大,板材的变形也大。采用图6所示的斜刃口冲裁法,可以减少冲裁力,减小板材加工变形。这种类型模具由于冲裁力小,冲裁时噪声比较小,也称微声模具。

各种形状的斜刃口模具适用于不同的工作条件:屋顶型适合大吨位冲裁;单斜刃型和人字型适合于步冲;双人字型最适合于窄长条的步冲,但不适于冲压大吨位。操作者依据以上原则选取模具可以取得最佳的冲裁效果,并最大程度上延长模具寿命。

4 结束语

在冲裁加工过程中,由于剪切应力的释放,产生变形是难以避免的。但是可以通过改进编程方法,充分发挥机床的各项功能,如压料冲、微连接等功能,最大程度的减小加工变形。通过采用以上措施,并经实际生产验证,很多易变形框形零件加工变形量减小很多,产品质量有了很大的提高,节约了后续校平、整形加工成本。

摘要:分析了数控冲床加工典型钣金件的冲裁过程,阐述了冲裁变形的产生机理。通过改进编程方法和冲压过程中压紧板料的方法来减小冲裁变形量,并在生产中取得了良好的效果。

关键词:机械制造,冲裁,变形分析,数控压力机

参考文献

[1]张鼎承.冲模设计手册.北京:机械工业出版社,1988.

[2]彭建声.冷冲压技术问答.北京:机械工业出版社,1981.

[3]马明勋.数控冲床微连接技术在钣金制造中的应用.机械工程师,2001,(12).

[4]王孝培.冲压设计资料.北京:机械工业出版社,2000.

[5]徐旭.数控冲床编程使用常见问题分析.化学工程与设备,2009-04.

[6]德国TRUMP公司,模具手册.

[7]王蕾,苏娟华,胡道春.毛坯压边对冲裁过程影响的研究.锻压装备与制造技术,2005,40(3:)67-68.

浅谈机械加工中的工件变形 篇9

工件的变形在机械加工过程中是不可避免的问题。因机械加工变形而影响零件加工精度的客观事实一直以来也是机械加工行业中探究的问题之一。如何正确的分析和把握零件在加工过程中的变形原因、变形趋势, 从而尽可能地减少因变形而引起的零件质量问题的出现, 对于工艺人员来说也是学习和经验积累的重要方面之一。本文就个人从事机械加工行业五年来所积累部分经验出发, 对机械加工中工件的变形情况做以简单剖析, 以便进一步提高大家在零件加工过程中对零部件变形的掌握情况。

1 变形的多种形式

在具体的零件加工过程中, 随着零件自身材料和结构形式的不同, 其在加工过程中产生的变形量的大小和变形趋势也有很大差异。通过几年的工作经验总结出了如下几条:

1.1 细长类零件: (如下图1)

如上图所示, 该零件长达1260mm, 最大厚度仅35mm, 中间最薄处仅10mm。该零件在从方料加工至如图形状的过程中, 因加工余量大, 且由于结构所限, 在厚度方向变化差异也较大, 故而加工时所产生的变形量也偏大, 根据实际加工经验得知, 其变形量可达5 m m以上。变形趋势为两边上翘 (变形趋势图如下图2中箭头所示) 。巨大的加工变形也成为此类细长零件在加工过程中的的主要工艺难点。

1.2 型面渐变类零件: (如下图3)

如上图所示, 该零件从图示左端至右端约1400mm的长度范围内厚度按型面趋势从126mm逐渐变化为14.45mm。零件因两端型面厚度差距较大, 在加工过程中往往会导致较薄端变形较大。如图3所示类型的零件在加工过程中如何有效地减小较薄端的变形则是工艺人员需考虑的主要方面之一。该零件一般而言变形趋势如下图4中箭头所示方向。

1.3 空腔类零件: (如下图5)

如上图所示, 该零件内部为空腔结构, 在从方料加工至该零件形状的过程中, 由于其内、外部大量加工余料的去除, 随之带来的是较大的变形量。根据加工经验得知, 一般而言零件在加工过程中的变形趋势如下图6中箭头所示。

根据以上三种实例可以明显看出, 随着零件结构的变化, 从毛料至零件的加工过程中, 加工余量越大, 则变形也越大, 且一般而言始终按照一定趋势变形。

2 变形原因分析

2.1 理论变形模型的建立

根据零件在实际加工中总结的经验, 再加之理论分析, 可得出以下图7所示两种用以分析变形的理论模型。

由上图7中a) 图所示的毛料分别加工至图b) 和图c) 所示的两种形状时, 零件或多或少会发生一定变形。就一般情况而言, 变形趋势如下图8中箭头所示。

在此, 我们假定毛料形状规则, 为图7中a) 所示的长方体结构, 且材料组织均匀, 内部晶粒按理想状态规则排布, 各晶粒之间相互所形成的内部应力也处于完全均布的理想状态。在以上条件的前提下, 理论上讲, 将毛料分别加工至“U”型工件和“L”型工件时, 工件势必会按照图8中箭头所示方向变形, 在相似零件的实际加工过程中也充分证明这一点。

毛料阶段的工件, 相对材料内部组织均匀排布, 内应力分布均匀, 因此零件基本处于内应力平衡状态。在零件被加工的过程当中, 零件原先内部应力平衡的状态被打破, 零件向着被加工区域方向变形。从而导致图7中被加工后零件中a尺寸一般而言会小于毛料状态的A尺寸。基于以上原因, 在加工此类零件的时候, 为保证零件各尺寸的精度要求, 加工变形量是必须提前考虑的因素之一。

2.2 材料纤维方向对变形的影响:

对于理想状态的材料而言, 各方向应力分布应该处于均匀平衡状态。而由于材料成型方式的所限, 材料内部晶粒往往呈长条状, 且具有一定方向性, 因此也造成了材料性能沿顺纤维方向和逆纤维方向应力的不一致, 按常理来说, 顺纤维方向内部应力会大于逆纤维方向, 但晶粒之间各方向的应力依然处于平衡状态, 故而原材料在加工以前也处于平衡状态。一般板材在长宽方向以及厚度方向的纤维分布如下图9所示。

由于材料内部纤维组织具有一定的方向性, 且材料顺纤维方向综合性能均高于逆纤维方向。在从事机械加工的这些年中, 我们采用诸多方法, 加工出了形形色色的零件, 在这些机械加工的过程中也遇到了大小程度不同的变形情况, 通过各类变形情况的汇总分析, 我们可以初步认定, 在零件的加工过程中, 材料纤维组织的完整性与零件在加工过程中变形量的大小有着密不可分的关系。例如加工厚度方向呈对称状的零件, 虽然在加工过程中上下两面去除余料很多, 但材料的主要纤维层依然存在, 故而零件往往不会产生过大变形。下图10就是厚度方向呈对称状的典型零件。

该零件从毛料阶段加工至图示零件全型, 虽然上下两面去除余量较大, 但因零件上下两面属对称型面, 沿对称中心主要纤维层组织完整, 故而在整个加工过程中零件变形量也很小, 通过几年来大量该种零件的加工, 充分证明了以上理论的正确性。

3 有效控制或减小变形的方法

3.1 分多次加工, 逐步减少加工余量:

对于上文中所述“U”型和“L”型工件, 由于其结构的限制, 只要进行加工势必会引起零件的变形, 从而引起零件外形尺寸的变化。对于此类零件, 我们无法消除变形, 但能通过可行、可靠的加工工艺流程, 尽可能地减小零件的变形量。对于从结构上分析易产生变形的零件来说, 可以根据经验, 在零件的加工工艺安排中, 分多次加工, 随着加工余量的逐渐减小, 每次加工零件所产生的变形量也随之变小。所以通过分粗加工、半精加工、精加工等工序, 在每个加工阶段均留足够加工余量, 使去除较大加工余量所产生的内应力在零件各尺寸余量均足够的情况下尽可能多的释放, 从而通过多次加工, 逐步减小每次加工过程中的加工量, 使得零件在精加工的过程中基本不发生能影响工件尺寸精度的变形, 从而达到所要求的零件精度。综上所述, 在我们遇到零件具有开口或加工余量不对称的情况时, 我们一定得考虑工件因机械加工而引起的变形, 故而在零件的粗加工阶段应尽可能多的让工件的内应力得以提前释放, 以免在精加工阶段影响零件精度。

3.2 毛料纤维方向的正确选择

对于同一零件, 选择毛料的纤维方向不同, 其在加工过程中所产生的变形也不相同, 因此毛料内部纤维方向的正确选择也会大大减小因加工而引起的变形。通过几年的工作经验积累, 大致总结可得, 毛料选择遵循如下原则, 则加工变形较小:

(1) 工件长方向尽可能与材料纤维方向保持一致, 例如下图11所示。

在选择毛料时, 长宽方向应尽量遵循图11所示布置方式, 将容易变形的方向保持与材料纤维方向一致, 这样布置一方面有利于减小机械加工引起的变形, 另一方面工件的综合性能也相对较好。

(2) 工件的厚度方向应尽可能保持材料纤维层的完整性, 使得在加工过程中尽可能少的破坏材料中各晶粒的排布, 具体排布方式如下图12所示。

上图为典型零件在厚度方向的布料方式, 其中a) 图所示为传统布料方式, 而此种布料方式的零件在加工过程中材料各个层面的纤维组织均遭到破坏, 使得纤维层从翼尖至翼根呈断层状分布, 因此在加工过程中工件翼尖部分往往变形较大, 且难以控制。b) 图所示为经理论分析后的建议布料方式, 此种方式的核心理念是尽可能多的保留工件中材料原有的纤维分布, 尽量保证材料纤维层的完整性。从图b) 中可以看出, 在零件被加工成型以后工件翼根至翼尖型面部分始终保持有若干层材料原有的纤维层, 故而在零件被加工的过程中产生的变形量会大大减小。再加之一旦毛料如图12中b) 所示, 则工件两面加工余量也近似相当, 且厚度较传统布料方式也大大减小, 加工余量的减少在一定程度上也有利于变形量的控制。该理论通过实际加工也得到了验证。

在此种理论的基础上, 我们可以拓展得出, 对于形状呈弯曲状的零件, 如下图13所示。

如果在零件备料阶段我们有意识将原有板料通过特殊手段 (例如模锻) 使之产生预变形, 使纤维组织如图13中所分布, 从理论上讲, 在加工过程中零件产生的变形应该比传统布料方式要小。

3.3 必要的人工校形

机械加工所带来的变形是不可避免的, 虽然我们可以通过多种方式来尽量减小因加工而引起的工件变形, 但如若发生较大变形, 且变形量超过预期值, 为了保证零件的后续可加工性, 我们必须采用必要的人工校形, 来减小变形量, 使工件的变形可接受。在此, 我们假定工件经一定机械加工后产生如下图14所示的变形。

如上图14所示, 工件在图示变形敏感区域产生变形, 导致工件与理论平直件存在较大差异。此时, 工件内部晶粒排布如图中所示, 较为规则, 各晶粒间处于平衡状态。为保证工件变形量不超过要求, 势必通过外界作用力, 改变内部组织, 使变形工件变形量减小至要求以内。通过实际加工经验, 我们得知, 对于图14所示变形情况, 可采用以下两种钳工校形方案来减小工件的变形量。

方案1:按图14所放置方式, 在工件变形敏感区域, 由下至上沿工件变形的反方向施加压力, 且保持一定时间, 使工件内部晶粒排布发生一定变化, 使图中所示上面晶粒排布变疏, 下面晶粒排布变得稍密或基本不变, 从而实现减小变形的目的。

方案2:按图1 4所示工件放置方式, 敲击 (在表面还具有加工余量的前提下) , 通过外部的敲击和挤压, 使工件变形区域上部晶粒变长, 从而使工件上表面金属晶粒得以延展, 通过此种方式在一定程度上也能减小工件的变形量。

上图15为采用不同方式校形后, 工件变形敏感区域晶粒排布对比图, 通过上述两种方案均能在一定程度上减小工件的变形, 但由于其机理的不同, 也有各自的优缺点。方案1中, 晶粒受外部作用力, 使得各晶粒排布间距加大, 如上图15中b) 所示, 从而使上面金属延长以实现工件的反方向变形, 然而在实际操作过程中, 作用力的大小往往难以把握, 作用力过大可能造成晶粒间拉开距离过大, 工件会沿变形敏感区域撕裂, 形成缺陷, 严重影响工件性能;作用力过小则可能无法改变晶粒原始位置, 使得工件不能产生预期的恢复性变形, 所以在具体操作过程中难度较大。方案2中, 被敲击表面的晶粒受外部作用力, 使得晶粒个体变得更为扁长, 如上图15中c) 所示, 使得图14中所示工件上表面晶粒呈长条形, 下表面则保持原样不动。从而致使工件变形量减小。该方案操作过程中安全性较高, 但会破坏工件表面质量, 故而只能在工件表面余量足够或表面质量要求不高的情况下使用。

3.4 合理采用工艺手段消除材料内部残余应力

在机械加工中, 工件之所以或多或少会产生一定的变形, 是因为通过机械加工导致工件内部应力平衡的状态被打破, 为重新达到平衡状态, 在工件内部应力作用的情况下, 工件会产生一定的变形。从理论上讲, 工件在变形后内部应力分布也存在不稳定的情况。为尽可能地减小工件在后期加工中的变形, 我们会采用一定工艺手段, 尽力在加工前消除工件内部的残余应力。

(1) 铸件毛坯加工前热处理。对于铸造毛坯而言, 由于其在成型过程中金属由热变冷, 产生强烈收缩, 故而毛坯内部存在大量残余应力, 为使工件内部应力分布均匀, 组织稳定, 在加工前应合理安排热处理工序, 一方面可消除内部残余应力, 一方面可提高毛料的综合性能。

(2) 板料自然时效。板材由于其成型过程所致, 材料内部或多或少也存在一定残余应力。通过实际加工经验得知, 对于自然放置时间较长的板料, 内部组织稳定, 加工过程中变形较小。所以利用自然时效时间足够长的板材加工零件, 也可提高工件加工过程的抗变形能力。

(3) 加工过程中的自然时效。该方法主要用于铝材, 材料在加工过程中, 导致内部应力重新分布, 在加工工序中合理安排自然时效, 可使工件因加工而产生的内部残余应力得以充分释放, 从而提高下道工序加工过程中的抗变形能力。

(4) 增加去应力热时效。该方法主要用于钢材, 通过加热至一定温度, 使材料内部晶粒位置进行微量调整, 使之达到各自平衡状态, 从而消除内部残余应力。这在一定程度上也可提高工件在下道工序中的抗变形能力。

3.5 零件结构上的优化

零件结构的不同对该零件在机械加工过程中的变形量也有大小不同的影响。以空腔类零件为例, 由于其内部均为空腔结构, 所以在去除空腔内部大余量的同时, 势必会带来不小的向内收缩变形。对于此类零件, 如对其结构进行必要改动, 可大大提高零件的抗变形能力, 例如将零件开口端设计成为闭口, 使之成为盒形件。或在工件较薄弱区域内适当增加加强筋, 使工件自身结构强度加大。总之使零件在结构方面呈稳定状, 此类结构上的优化可在很大程度上改善零件的加工变形情况, 同时也能很好的提高工件的加工质量。

4 总结

整流叶片轴颈加工变形控制 篇10

整流叶片是通过叶片缘板安装部位或轴颈装配在发动机的机匣中, 为压气机转子叶片提供确定方向、流量的稳定压缩空气, 使压气机转子叶片得到稳定的工作条件。安装部位的尺寸精度, 直接决定了叶片在机匣中的位置是否正确, 是影响发动机性能的主要因素之一。对于轴颈结构的叶片, 一般的加工方法就是采用车或磨加工方法来保证其尺寸, 但是对于细长轴、刚性弱的叶片轴颈加工, 其加工变形问题, 还没有很好的解决办法。

1 叶片结构及材料特点

某发动机整流叶片, 由上下轴颈和叶身型面组成, 大端轴颈直径Ф7mm, 长度30mm, 小端轴颈Ф4mm, 长度8mm, 截面厚度的最大值为1.43, 最大弦长22mm, 叶片型面总长40左右, 如图1所示。

这种结构尺寸造成该类叶片成为典型的弱刚性体零件, 增加了叶片每个特征的加工难度, 增大了加工变形系数。

该叶片采用的TC4钛合金属难加工材料, 此材料是一种典型的α+β型两项合金, 是当前最常用的叶片合金。其材料特点是比强度高, 具有较好的热强性和低温韧性, 优良的耐腐蚀性能。但因其弹性模量小, 也具有变形不易消除的特性[1]。

2 工艺试验及变形因素分析

叶片毛料为模锻件, 叶身余量1.0mm, 轴颈直径余量单面2mm, 按照典型零件的常规加工工艺, 首先是要将两端轴颈进行半精加工, 作为叶身型面加工基准, 然后进行叶身型面加工。由于加工叶身型面时, 会产生弯曲变形, 因此引起两端轴颈的弯曲。为了保证两端大小轴颈的尺寸精度和跳动要求, 需要在叶身型面加工后, 对两端大小轴颈进行磨削加工。影响轴颈尺寸精度的工序, 主要有叶片型面加工引起的轴颈变形及轴颈精加工工序的尺寸精度保证。

2.1 工艺试验

(1) 型面加工工序。按工艺要求完成叶身型面加工后, 进行轴颈跳动值检测, 检测结果分析叶片弯曲变形严重。 (2) 精加工轴颈工序。由于型面加工后的弯曲变形影响, 轴颈留有加工余量进行精加工, 保证轴颈的最终尺寸。但采用车床进行精车加工后进行尺寸检测, 轴颈跳动不能满足工艺要求。

2.2 原因分析

2.2.1 定位装夹方式对加工变形的影响。

(1) 叶身型面加工时, 采用夹紧一端轴颈、顶紧叶片另一端中心孔的装夹方式, 在加工刚性较弱的叶片时, 顶紧力过小, 加工叶身型面容易出现振动, 顶紧力过大又直接造成了叶片弯曲且无法消除。同时, 顶紧力与加工刀具轴向力的复合作用又造成了叶片弯曲变形。 (2) 精车轴颈时, 采用两端中心孔定位压紧, 由于叶身型面已加工完, 刚性较弱, 在两端顶尖顶紧后, 发生弯曲现象, 造成车加工后轴颈椭圆, 不能保证尺寸公差和跳动值。

2.2.2 残余应力对加工变形的影响。

残余应力是一种存在于零件内部并保持平衡的弹性应力, 由于外部环境的变化而引起材料的不均匀变形, 造成局部应力释放, 使零件发生变形。残余应力所受影响因素较多, 在不同的材料、加工工艺和使用状态下, 残余应力的分布、数值不同, 所引起的变形不同。

2.2.3 切削力对弯曲变形的影响。

某整流叶片为模锻件, 叶片型面采用一次数控铣削加工, 留有余量手工抛光。由于切削余量较大, 切削力可造成叶片较大的弯曲变形。叶片型面的弯曲变形, 直接影响到两端轴颈的弯曲。

下面对叶片型面加工过程中的弯曲变形进行理论分析:为便于分析叶身弯曲变形, 将叶片简化为简支梁进行受力分析。如图2所示, 从受力模型可以看出, 点C即为刀具的切触点, 因此问题转化为求解截面C的弯曲变形上。

AC段是已加工区域, 抗弯刚度为EI1, 长度为a (0<a<L) , CB段是待加工区域, 抗弯刚度为EI2, 截面C的挠度曲线方程为:

式中:Fx两端点支撑力, k=EI2/EI1-叶片前后截面刚度的变化。

为了研究叶片整体的弯曲变形规律, 借助仿真软件MATLAB, 取k=1.1, 1.2, 1.3时, 将挠度变形量拟合成曲线, 如图3所示[2]。对比三条挠度曲线, 发现叶片从叶根到叶片的变形趋势基本一致, 从叶根、叶尖到叶身中间区域, 弯曲变形逐渐增大, 最大弯曲变形发生在叶身中间。

3 采取的工艺措施

经过上述变形影响因素的分析, 采取了相应的改进措施。

3.1 工艺路线的优化

根据叶片的结构特点和技术要求, 合理规划叶片加工工艺路线和工序安排。对原工艺路线进行了优化。将叶身型面数控铣工序分为粗、精铣两道工序加工, 通过控制切削量来降低数控铣型面的加工变形。同时在其中间增加去应力热处理工序, 消除一部分加工应力, 可减少后续的加工变形量。增加热处理后叶片的大小轴颈磨削加工工序, 通过控制两端轴颈的同轴度来有效控制叶片加工弯曲变形量。

3.2 浇注夹具设计

针对轴颈精加工, 考虑需要增加叶身型面的刚性, 以改善装夹的弯曲变形, 增加叶身浇注低熔点合金的工序。夹具设计思路:所设计的夹具要保证浇注合金后的叶片具有足够的刚性, 并在车削或磨削回转时, 尽量不产生偏心, 同时要尽量减小重量, 减小离心力。

4 措施效果验证

将技术措施应用到叶片研制中, 大端轴颈尺寸精度有了明显的提高。叶片轴颈跳动可达到0.01~0.02之间, 可满足要求。

通过上述改进措施的验证和实施, 我们对弱刚性叶片轴颈加工的变形机理有了较为深刻的认识。所采取的技术措施可以有效地控制零件的变形, 同时可为其他结构相近的叶片加工变形控制起到一定的借鉴作用。

参考文献

[1]刘艳.《透平机械现代化制造技术丛书》总编委员会.叶片制造技术[M].北京:科学出版社, 2002, 10.

L形梁焊接变形分析及控制 篇11

关键词: L形梁;焊接变形;控制

中图分类号: TG404

Abstract:The impact of various factors of welding deformation were determined by analyzing the deformation trend of welding seam locating at right angles to the site without any binding of L-shaped beam.By controlling the weld groove design, welding fixture design, holding method, welding method, welding specifications, welding layer and the welding layer channel distribution channel order and other factors to limited the L-shaped beam welding deformation in the range of design requirements.

Key words: L-shaped beam; welding deformation; control

0 前言

出口澳大利亚铁路罐车采用全焊接牵引梁结构,其中最主要的受力焊缝为牵引梁腹板和下盖板的焊接,此构件形状酷似L,故称L形梁。焊缝位于L形梁的直角位置,且焊缝长度2 400 mm,该焊缝为对接焊缝和角焊缝的组合焊缝形式。由于该工件平面度要求在1 mm,垂直度公差要求在2.5 mm,且Q450NQR1材料不能火焰加热矫正,如何控制焊接变形,成为该构件焊接的最关键的难题。

1 焊接变形分析

焊接时不均匀的加热是焊接变形的最主要的原因[1],焊接过程中极易出现挠曲变形、扭曲变形和角变形。要防止焊接变形,必须从引起焊接变形的各个因素入手分析。

由于焊接过程中不均匀的加热,引起温度场的变化,横向变形沿焊缝长度上的分布并不均匀。这是因为先凝固的焊缝横向收缩对凝固的焊缝产生一个挤压作用,使后者产生更大的横向压缩变形。当焊缝在构件中的位置不对称时,焊缝引起的应力就是不均匀的,这样它不但使构件缩短,同时还使构件弯曲,产生挠曲变形。

由于焊缝位于构件的直角部位,且焊缝在直角内侧设置有角焊缝,这种横向收缩变形在厚度方向上的不均匀分布导致塑性变形量在厚度上不一致,或者熔化金属在厚度方向上的不一致,这种变形就是角变形。腹板和下翼板的垂直度保证显得尤为困难。

2 焊接变形控制措施

针对上述变形趋势,需要从焊缝的坡口形式、焊接夹具、焊接方法、焊接规范、焊接顺序等方面进行控制。

2.1 合理的坡口形式

焊缝两侧焊接热输出的不均衡,对焊接变形影响很大。为了使焊缝两侧的线能量处于基本平衡,就要考虑焊缝两侧填充面积基本相等,而且要焊接热输入处于最低的状态。基于以上考虑,设置如图1所示的坡口形式。

2.2 焊接夹具

焊接夹具可以对无任何约束的构件进行刚性约束,虽然夹具不能有效控制加热时产生的压缩塑性应变,减小焊接变形的作用有限。但在冷却过程中夹具对焊缝附近的塑性变形区的收缩等效于反向拉伸,可减小纵向残余塑性应变。对焊缝附近区域的约束越强烈,冷却时的塑性拉伸作用越大,控制焊接变形效果越好[2]。

针对该构件变形趋势,对工件的腹板和下翼板进行刚性约束。制作直角刚性固定翻转装置,对构件进行刚性约束。由于工件腹板本身有打孔,利用构件本身的孔在夹具上用螺栓进行刚性约束,能产生强有力地约束力,更好的保证工件的平面度,在没孔的部位增加卡兰和斜楔进行约束。下翼板上没有任何孔,只能利用卡兰进行约束。考虑到这些因素,设计焊接夹具如图2所示。这种焊接夹具能使构件与夹具本身保持一致的平面度和角度,既能防止扭曲变形,又能有效减小角变形。

2.3 焊接方法

工业生产既要提高生产效率,又要保证产品质量。选择焊接方法对产品的成本、质量影响很大。不同的焊接方法,热输入差异很大,与焊条电弧焊、埋弧焊相比,混合气体保护焊降低焊接变形的因素很多。首先,气体保护焊的焊丝细、熔池小、热输入相对集中,在一定的焊接热输入条件下,可以通过同时提高焊接速度和电流,使焊接温度场的分布更加均匀而降低焊接变形。因此,选用混合气体保护焊是最合理的选择方式。

2.4 焊接规范

此构件的焊接完全按照AWS D15.1进行焊接,焊接规范按照前期的工艺评定,以及焊工技能评定,得出的综合参数进行焊接。此焊缝采用多层多道焊接,要保证全焊透,打底焊道采用小电流、短路过渡方式,在焊缝根部打开熔孔,保证打底焊道完全焊透,填充层采用小电流的喷射过渡方式,形成较薄的焊道,这样可以避免气孔等缺陷。盖面层选用较大电流的喷射过渡方式,形成漂亮的外观。

2.5 层道的焊接顺序

为了减小焊接变形,一般工业生产中一般采用对称焊接或者分段退焊的方法进行焊接。

在相同约束的情况下,随着层数的增加,焊接残余应力和焊接变形量会都相应的减少。选用多层焊接时,尽可能的选用较薄的焊道,既可以减小焊接缺陷,也可以减少焊缝的热输入。

在多层多道焊接过程中,相邻焊道之间的采用首尾相接的方法得到的焊接残余拉应力峰值是最小的。选择合理的分段焊的焊接顺序以及焊接方向可以降低焊接结构中某一特定区域的残余拉应力峰值,甚至变成压应力。在多层焊的过程中,采用对称施焊的方法得到的焊接残余拉应力峰值是最小的。

此构件的焊接选用层道的对称焊接(图3),每层焊道采用分段退焊方法,将这整个焊道长度分为4段进行焊接。

3 结论

通过以上焊接方法及焊接辅助夹具进行焊接,腹板和下翼板的平面度控制在0.5 mm以内,腹板和下翼板的垂直度公差也控制2.5 mm之内,满足图纸要求。说明此工艺方法能够很好的实现L形全开放梁体结构的焊接变形控制。

参考文献

[1] 贾安东. 焊接结构与生产[M]. 北京:机械工业出版社,2007.

机械密封变形计算方法综述 篇12

机械密封是目前旋转轴密封常用的一种形式,是流体机械和动力机械中不可缺少的零部件。由于机械端面密封有着工作可靠、泄露量少、使用寿命长、适用范围广等优点,故在工业中获得了广泛的应用,尤其是在各类泵中应用最广。传统的机械密封设计是一项以实验为基础的技术,密封性能最终需要根据具体试验来验证。但是试验方法却具有长周期性、高成本性和不确定性等缺点,这些试验方法的不足都为理论研究开创了广阔的发展空间。通过建立系统的机械密封模型,在其上施加各影响因素进行模拟仿真,能够对影响密封寿命和可靠性的根本原因做出判断,并准确预测密封性能,从而正确指导试验,提升试验结果的价值。在西方发达国家,数值模拟技术已成为缩短研制周期、提高产品质量、降低生产成本必不可少的工具。

目前机械密封变形的数值计算主要是采用有限元法,从机械变形和热变形两个角度进行分析研究。随着密封环性能的数值模拟技术进入应用阶段,国外已经形成了一些通用的有限元软件,如FEMLAB、 ANSYS、 MRC、ABAQUAS及FLUENT等。

1 机械密封环的变形分析

机械密封正常工作时,机械密封环的内外侧压差是导致密封端面变形的一个重要因素;同时,由于密封环的相互贴合并相对转动产生的摩擦热,导致密封环特别是密封端面的温度升高,也会产生变形。综合以上不同的产生原因,机械变形大体可分为机械变形和热变形两类。随着机械密封技术向高压、高速、高温和大直径等方向发展,机械密封环的变形问题就尤为突出。目前被普遍认同的端面变形形状为圆锥形。密封端面一旦产生锥形变形,一方面可能发生热过载,而另一方面又可能丧失接触,这些都将导致泄漏量增加,还可能导致局部过度磨损和高温,影响整个端面的密封性能。为了尽量减小锥形变形,需要通过理论分析来了解并掌握其中的规律。目前,变形理论分析方法主要分为解析法和数值计算法两种。

1.1 变形的解析求解法

海因策假设是一种早期的研究方法,该方法假设机械密封遵守流体动力学规律,通过密封缝隙的泄露可以用已知的径向环形缝隙层流运动的公式作为基础:undefined,该方法只有机械密封在流体动力区域内运转的情况下成立。因为通常情况下机械密封是在混合摩擦和边界摩擦状态下工作的,所以上述方法适用性较小。

变形分量叠加的计算方法,根据圆环理论从力和温度角度分析变形的原因,为变形的解析求解奠定了理论基础[1]。

较为成熟的解析求解法是从材料力学的理论出发[2],应用壳体力矩理论对密封环的变形进行研究,可以将总变形看作是力矩变形、径向力变形和由轴、径向温度梯度产生的变形的叠加,同时将环截面分成若干部分,建立变形协调方程进行计算[3]。

在实际工程中通常从端面比压考虑机械密封的选用[4],该方法简单,但不易用作理论研究。

目前解析法的主要优点是计算量小,但由于解析法的理论前提比较理想,不适合复杂模型的运算。

1.2 变形的数值计算法

边界元法和有限元法合称为数值模拟算法。

边界元法是在经典积分方程的基础上,吸收了有限元法的离散技术而发展起来的计算方法,它是基于控制微分方程的基本解来建立相应的边界积分方程,再结合边界的积分而得到的离散算式。其具有以下优点:

1) 由于只在边界上积分,因此实际上是将问题降维处理,降维的结果必然减少代数方程组的未知数;

2) 由于仅在边界离散,其计算误差也仅限于边界和边界附近,计算精度高;

3) 计算准备工作少;

4) 易于求解无限域问题。

5) 边界元法的基本解本身就具有奇异性,因此对于工程中的奇异问题,可以得到良好的结果。

文献[5]中作者采用边界元法建立了机械密封变形计算模型,并编制了相应的程序。

边界元法被公认为比有限元法更加精确高效,但边界元法的主要缺点是其应用范围以存在相应微分算子的基本解为前提,对于非均匀介质等问题难以应用,故其适用范围远不如有限元法广泛。相比之下,有限元法原理相对简单,且有限元方面的应用软件很多,如ANSYS、MRC、 ABAQUAS、FEMLAB,因此采用有限元法进行分析变形的研究较多。

有限元法出现于20世纪50年代中期至60年代末,其基本思想用有限单元将连续体离散化,通过对有限单元作分片插值求解各种力学、物理问题的一种数值方法。有限元法把连续体离散成有限单元:杆系结构的单元是每一个杆件;连续体的单元是各种形状(如三角形、四边形、六面体等)的单元体。每个单元的场函数是只包含有限待定节点参量的简单场函数,这些单元场函数的集合就能近似代表整个连续体的场函数。根据能量方程或加权残量方程可建立有限待定参量的代数方程组,求解此离散方程组就得到有限元法的数值解。有限元法的主要优点是对不规则区域的适应性好;主要缺点是计算的工作量大。大型有限元分析软件,如Ansys的出现缓解了有限元法带来的繁琐,使有限元的使用越来越简便,加速了有限元法的普及。

机械密封环有限元法的理论研究中通常采用轴对称有限元模型,该模型综合了平衡方程、几何方程、物理方程和虚功方程,在系统方程中包含了由温度变化引起的等效节点载荷,并采用三角形环形单元进行了离散[6],形成了相对完整的机械密封环变形有限元分析理论体系,实现了简单的热变形计算。

与此同时,在密封端面上,如图1所示向有限元模型中引入虚拟“杆元”,可以优化工况的模拟[7]。该模型的新颖之处在于两点:

1) 提出了将两密封环合为一体研究的思路;

2) 巧妙利用虚拟“杆元”的受压或受拉来判断密封端面的接触与分离。

(a) 网格变形前 (b) 网格变形后

由于模型对摩擦热分布进行了简化处理,因此热变形分析部分计算精度不高。变形的数值计算的优点在于,有限元法的变形分析不受密封环截面形状复杂程度的限制,研究周期短,并可部分模拟机械密封环实际的工况。其缺点是无法体现变形和温升相互影响对机械密封性能的影响。

2 密封环稳态热—结构耦合稳态分析研究

热—结构耦合稳态分析是指在有限元分析过程中考虑密封环的变形和温升的相互影响、交叉作用。耦合方法可分为两类:间接耦合法和直接耦合法。

间接耦合法是以特定的顺序求解单个物理场的模型,前一个分析的结果作为后续分析的边界条件施加,也称之为序贯耦合法。间接耦合法的优点是可以将原耦合问题转化为两个相对独立的问题计算。其收敛性好、求解灵活、效率高,而且不需要特殊的单元类型。

直接耦合法是利用包含所有必须自由度的耦合单元类型,仅通过一次求解就得出耦合场的分析结果。直接耦合法求解的矩阵方程的一般形式为

undefined

undefined

其中,斜对角刚度子矩阵K1,反映温度场对结构应力场的影响,如热变形的计算;斜对角刚度子矩阵K2则反映结构应力场对温度场的影响,如变形对热传导的摩擦生热的影响。该方法的优点是计算精度较高,计算量较小,可以计算非线性较高的单元类型。

机械密封端面间液膜与密封环的传热模型可简化如图2所示。其中,qv为动环传递的热量,qs为静环传递的热量,W为密封面宽度,L为伸出端长度。密封环的边界条件为:密封环外周与介质接触;密封端面受热流作用;其它边界与空气接触。

对机械密封环进行热—结构耦合分析时可采用如下思路:①以小锥度的收敛间隙为优化原则;②以最大接触压力作为目标函数;③以静环端面的磨损裕度为设计变量,采用一阶优化法进行机械密封环热—结构耦合有限元优化计算[8]。

使用有限元分析软件ansys对机械密封环进行热 结构耦合分析所采用的基本思路如下:①使用具有热和结构分析能力的二维轴对称单元PLANE 13来建立动静环的模型;②使用杆元LINK 34来模拟动静环端面间的接触热传导;③采用2维点—点接触单元CONTAC12来模拟动静环端面间的摩擦生热[9]。

众多国内外研究经验证明,对机械密封环进行热—结构耦合分析可以准确全面地获得密封的性能。

3 结论

1) 解析法是机械密封端面温度的计算方法中最为精确的一种,但只适合密封截面为简单形状的情况。其方法缺点是计算繁琐,不适合用于工程实际;对于复杂密封截面就应考虑采用数值模拟法。

2) 数值法的结果是否合乎工程实际,很大程度上取决于所给的边界条件是否正确地反映了实际情况。在分析密封环温度场时,应正确的计算摩擦热载荷的分配系数。

3) 间接耦合法的优点是可以将原耦合问题转化为两个相对独立的问题计算,收敛性好、求解灵活、效率高。相比之下,采用整体耦合法只需建立一个模型,有利于做瞬态分析,因此整体接触耦合法的发展潜力很大。

4) 数值方法不同于物理模型实验,无法在开始时给出所求问题定量的描述。它需要物理模型试验提供某些参数及参数之间的关系,近而建立符合所求问题的数学模型。它的应用还依赖于理论的分析、经验的判断和最终的试验验证[10]。

摘要:介绍数值分析方法在机械密封变形计算研究中的应用及国内外研究现状。综合国内外在机械密封性能理论研究的新成果,从结构静态分析、热—结构耦合分析两个角度介绍了常用的研究方法,比较了其优缺点,指出解析法是机械密封计算方法中较为精确的一种,但只适合密封截面为简单形状的情况。经验公式法虽可满足工程实际的需要,但无法给出机械密封变形与温度间的定量关系。有限元法是当今较好地使用计算机研究机械密封变形的方法,使用热—结构耦合稳态分析的理论可以根据端面的受力计算摩擦热并将热载荷施加在模型上,实现了结构分析与热分析结果的同时运算。有限元法作为较为有效的变形分析方法发展潜力很大。

关键词:机械密封,有限元法,数值模拟,热-结构耦合分析

参考文献

[1]迈尔E.机械密封(第6版)[M].北京:化学工业出版社,1981.

[2]张宝忠,肖敏.内置式机械密封变形分析与计算[J].机械设计与制造,2003(1):62-63.

[3]洪先志,董宗玉,顾永泉.机械密封端面力变形的解析计算[J].化工设计,2002,12(2):37-39.

[4]王耀红,杨光.锅炉循环水泵机械密封设计探讨[J].排灌机械,2003,21(1):12-13.

[5]Doust TG.An Experimental and Theoretical Study of Pres-sure and Thermal Distortion in a Mechanics Seal[J].ASLETransactions,1986,29(2):151-159.

[6]党建军,秋卫平,钱志博.有限元法在机械密封设计中的应用研究[J].航空计算技术,2000(3):6-8.

[7]李鲲,姚黎明,吴兆山,等.机械密封环端面变形研究[J].润滑与密封,2001,26(5):44-47.

[8]周建辉,刘正林,严国平,等.船用机械密封环热结构耦合有限元优化计算研究[J].润滑与密封,2007,32(1):86-87.

[9]Samant R N,Plelan P E,Ullah MR.Finite element analysisof residual-stress-induced flatness deviation in banded car-bon seals[J].Finite Elements in Analysis and Design,2002,38:785-801.

上一篇:溶液燃烧合成法下一篇:风险投资制度