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HOVF WC-10Co4Cr涂层磨削瞬态温度场及应力场数值模拟

易军 金滩 邓朝晖 周炜

易军, 金滩, 邓朝晖, 周炜. HOVF WC-10Co4Cr涂层磨削瞬态温度场及应力场数值模拟[J]. 机械科学与技术, 2020, 39(3): 438-445. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190139
引用本文: 易军, 金滩, 邓朝晖, 周炜. HOVF WC-10Co4Cr涂层磨削瞬态温度场及应力场数值模拟[J]. 机械科学与技术, 2020, 39(3): 438-445. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190139
Yi Jun, Jin Tan, Deng Zhaohui, Zhou Wei. Numerical Simulation of Transient Temperature Field and Stress Field in Grinding of HVOF WC-10Co4Cr Coating[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2020, 39(3): 438-445. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190139
Citation: Yi Jun, Jin Tan, Deng Zhaohui, Zhou Wei. Numerical Simulation of Transient Temperature Field and Stress Field in Grinding of HVOF WC-10Co4Cr Coating[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2020, 39(3): 438-445. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190139

HOVF WC-10Co4Cr涂层磨削瞬态温度场及应力场数值模拟

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190139
基金项目: 

湖南省教育厅科学研究项目 18C0305

详细信息
    作者简介:

    易军(1987-), 讲师, 博士, 研究方向为高效精密磨削, yj_hnust@163.com

  • 中图分类号: TH162

Numerical Simulation of Transient Temperature Field and Stress Field in Grinding of HVOF WC-10Co4Cr Coating

  • 摘要: 从经典热传导方程和热弹塑性力学出发,建立了磨削过程中移动热源作用超音速火焰喷涂WC-10Co4Cr涂层材料的二维传热模型和热应力模型;在考虑材料热物理参数随温度变化的基础上,利用有限元分析软件ANSYS来研究双层材料在磨削热-结构耦合作用下的瞬时温度场和应力场。数值研究结果表明,由于WC-10Co4Cr涂层热传导系数和比热容比300M钢基体大,所以温升主要停留在涂层内;磨削温度沿工件深度方向非连续分布,涂层基体结合面的温度梯度最大;由于涂层、基体材料热膨胀系数差异较大,在结合面处产生极大的热应力;磨削温度、涂层-基体结合面热应力随涂层厚度的降低而增大。开展了磨削温度测量实验,测量了不同涂层厚度时工件表面的磨削温度,对数值仿真结果进行了验证。
  • 图  1  有限单元模型

    图  2  有限元仿真边界条件

    图  3  移动热流载荷加载过程

    图  4  有限元仿真过程

    图  5  磨削温度测量过程

    图  6  热电偶结构图

    图  7  热节点照片

    图  8  磨削后涂层保留厚度

    图  9  有限元仿真结果云图

    图  10  时空分布的磨削温度和热应力

    图  11  磨削温度、温度梯度沿工件深度分布

    图  12  磨削热应力、磨削温度梯度沿工件深度分布

    图  13  工件表面磨削温度随涂层厚度的变化

    图  14  涂层-基体结合面磨削温度随涂层厚度的变化

    图  15  涂层-基体结合面磨削热应力随涂层厚度的变化

    表  1  砂轮性能参数[15]

    材料 密度ρ/
    (g·cm-3)
    导热率λ/
    (W·(m·K)-1)
    比热容c/
    (J·(kg·K)-1)
    树脂 1.25 0.125~0.7 1 591~1 758
    金刚石 3.515 2 000 1 827
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    表  2  工件热物理性能[16]

    物理性能 300M钢 WC-10Co4Cr
    密度ρ/(g·cm-3) 7.74 15.5
    导热率λ/(W·(m·K)-1) 0.016 1T+21.814 121
    比热容c/(J·(kg·K)-1) 0.296T+466.714 800
    弹性模量E/GPa 198 71
    泊松比μ 0.32 0.3
    线膨胀系数α(10-6/K) 13.4 4.3
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    表  3  磨削参数及磨削结果

    实验
    序号
    砂轮线速度
    vs/(m·s-1)
    工件进给速度
    vw/(mm·min-1)
    磨削深度
    ap/mm
    切向磨削力
    Ft/N
    热分配比
    Rw/%
    涂层厚度
    h/μm
    磨削温度
    T/℃
    339.74 330
    1 90 2 100 0.04 40 33% 339.74+2ap 304
    339.74+4ap 270
    233.57 482
    2 90 2 800 0.06 66 33 233.57+2ap 420
    233.57+4ap 355
    435.29 287
    3 150 2 800 0.02 23 37 435.29+2ap 261
    435.29+4ap 242
    424.68 426
    4 150 3 500 0.04 44 36 424.68+2ap 368
    424.68+4ap 337
    下载: 导出CSV
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  • 收稿日期:  2019-03-28
  • 刊出日期:  2020-03-05

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