船舶柴油机喷油泵滚轮切削残余应力分析与研究

摘要

金属切削加工是高温、高应变和高应变率的复杂加工过程，在切削加工过程中，由于机械挤压、温度变化和材料组织相变引起不均匀的大塑性变形，工件内部会产生残余应力，残余应力对工件的工作性能有很大的影响。滚轮作为船舶柴油机中的关键零件，切削加工中产生的残余应力对其影响很大，尤其残余拉应力会使工件在工作过程中产生微裂纹甚至发生开裂现象。为了掌握柴油机喷油泵中的滚轮在切削加工中残余应力的分布规律，本文重点研究了切削加工（车削、磨削）工艺参数对滚轮残余应力沿深度方向分布的影响规律，为滚轮实际切削加工中控制残余应力提供依据。 本文从有限元仿真和试验测量两方面对滚轮切削加工的残余应力进行了研究。首先，应用DEFORM-3D有限元仿真软件对滚轮车削工艺的残余应力进行了模拟，研究了工艺参数（切削速度、进给量、切削深度、刀具前角、刀具后角）对滚轮残余应力沿深度方向分布的影响规律。然后，通过建立砂轮的单颗磨粒模型，对滚轮磨削工艺的残余应力进行了模拟，研究了工艺参数（砂轮线速度、工件圆周进给速度、磨削深度）对滚轮残余应力沿深度方向分布的影响规律。建立了砂轮的多颗磨粒模型，选取了一组和单颗磨粒磨削仿真相同的磨削参数进行仿真，仿真结果表明，多颗磨粒磨削仿真结果和单颗磨粒磨削仿真结果趋势一致，在数值上多颗磨粒仿真结果更接近于试验测量结果；最后，运用X射线应力衍射仪对滚轮的主要加工工艺进行残余应力的测量。为了得到沿滚轮表层深度方向分布的残余应力，通过对滚轮进行逐层抛光、测量的方法来进行试验。车削与磨削的测量和仿真结果对比表明：两者残余应力分布趋势基本一致，从而验证了有限元仿真结果的正确性。 通过总结和分析滚轮车削工艺和磨削工艺的有限元仿真结果，得出了通过选择合适的切削工艺参数获得合理切削残余应力的结论。

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