弱刚度件齿圈的热力耦合仿真分析及其验证.pdf

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1、弱刚度件齿圈的热力耦合仿真分析及其验证庞璐2015年01月中图分类号：TG506.4UDC分类号：621弱刚度件齿圈的热力耦合仿真分析及其验证作者姓名庞璐学院名称机械与车辆学院指导教师左建华副教授答辩委员会主席马树元教授申请学位工学硕士学科专业机械工程学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年1月TheAnalysisofLow-rigidityPartsgearringBasedonCoupledThermal-mechanicalSimulationandthevalidationexperimentsCandidateName:LuPangSchoolorDepartment:Sc

2、hoolofMechanicalEngineeringFacultyMentor:ViceProf.JianhuaZuoChair,ThesisCommittee:Prof.ShuyuanMaDegreeApplied:MasterofEngineeringMajor:MechanicalEngineeringDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence:Jan,2015北京理工大学硕士学位论文摘要弱刚度结构件整体形状复杂，外形协调要求高，是典型的难加工结构件。车辆高功率传动系统中典型结构行星架、轮毂、齿圈等就是弱刚度结构件，其刚

3、度低，精度要求高，工艺性差。在切削力、切削热、残余应力、夹紧力、机床振动等多种因素影响下，易发生加工变形，且各个因素之间耦合作用、相互影响，使得加工变形难以控制。本文从弱刚度结构件齿圈的切削加工性能及其加工变形问题入手，采用理论分析、数值计算、有限元模拟和实验验证的方法，通过对切削力和切削热影响因素的理论分析和仿真研究，探索该零件在切削力和切削热影响下加工变形规律。主要研究工作包括以下几方面:为得到齿圈Johnson-Cook本构关系模型，针对齿圈材料20Cr2Ni4，做静态和动态力学性能实验。通过实验，测定该材料的材料性能，研究其应力应变关系，并确定Johnson-Cook模型参数，构造该

4、零件的本构关系模型。针对齿圈粗加工工序，研究刀具与切屑的接触分离、热量的产生与传导、网格的划分等仿真中关键问题及关键技术。建立零件的热力耦合模型，利用该模型对齿圈的切削加工进行二维正交切削的有限元模拟，分析切削加工过程中切屑的形成过程，工件应力、应变、温度场的分布规律，验证了切削过程产生的热量大部分由切屑带走的规律，并得出切削热会影响工件应力分布的结论。在齿圈切削加工二维模拟的基础上，建立齿圈热力耦合三维仿真模型，仿真其三维加工过程，得到了齿圈在加工过程中切削力、切削温度随时间变化的规律。并基于金属切削加工变形理论，分析研究齿圈在热力耦合作用下的变形情况，得出齿圈变形趋势。最后，单独研究切削

5、热。分析切削参数对切削热的影响规律，并设计实验验证仿真结果，证明仿真模型的可靠性。在此基础上，通过模拟考虑温度场和不考虑温度场两种情况下齿圈的变形情况，得出切削热将增大齿圈的变形，但温度上升到一定范围内，对齿圈变形影响有限的结论。关键词：弱刚度结构件；齿圈；热力耦合；切削热；加工变形I北京理工大学硕士学位论文AbstractLow-rigiditypartsaretypicaldifficult-to-machinepartswhichhavecomplexshapeandhighappearancecoordinationdemand.Thetypicalpartsinhighpowert

6、ransmissionsystemofvehicles,suchastheplanetcarrier,thestructureofthewheelandgearringaretheLow-rigidityparts.Itishardtocontrolmachiningdeformationbecauseofitslowstiffness,highdimensionalaccuracy,poormanufacturabilityandtheinfluenceofmanyfactorssuchasthecuttingforce,cuttingheat,residualstress,clampin

7、gforce,machinetoolvibration.Particularly,interactionbetweenvariousfactorsmakesithardertocontrolthemachiningdeformation.Thisarticleusesthemethodofthetheoreticalanalysis,numericalcalculation,finiteelementsimu