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基于定位强化感应加热技术的磨削表面残余应力控制研究

【摘要】:镍基高温合金Inconel718具有良好的高温强度和高耐蚀性能,广泛应用于制造航空工业特别是燃气涡轮发动机的高温构件。为了获得较高的尺寸精度和表面质量,常在其加工的最终阶段安排磨削工艺。然而磨削工艺往往会使零件的表面产成较大的残余拉应力,这对零件的疲劳强度和疲劳寿命非常不利。因此需要保证在磨削表面形成较小的拉应力甚至压应力,以提高加工零件的疲劳寿命。本文介绍了Inconel718合金的应用背景及现有加工工艺需求,从而引出本文所研究的主要问题是对其磨削表面残余应力进行主动调控。对国内外在磨削残余应力的形成原因、改善方法以及测量技术等方面的研究现状进行了综述和总结。基于降低工件表层及亚表层磨削温度梯度的原理出发,本论文提出一种复合磨削工艺,即利用控制良好的感应加热工艺将热源嵌入到工件亚表层,以实现主动调节镍基高温合金零件表面的磨削残余应力分布。首先分析了通过调控磨削梯度改变残余应力的形成机理,在此基础上提出亚表层加热温度的目标。采用无接触的感应加热结合表面冷却技术来实现内部温度的植入,并研究了定位强化感应加热原理以及聚能器在电磁热转换过程中的作用机理。基于有限元数值模拟技术与所搭建的感应加热实验系统,研究了影响感应加热过程的重要工艺参数,并建立了温度场分布的数学预测模型。通过实例分析和实验验证,证明了所建立的温度控制模型能够有效实现温度场的精确预测和调控。结合感应加热模型以及合适的磨削热分析模型,建立了集成新工艺系统的残余应力有限元数值分析模型。该新工艺过程分析及控制模型能够完成新工艺加工过程中工件层的温度场计算和应力场计算。为了实现最终残余应力分布状态的主动调控,建立了残余应力与重要工艺参数之间的响应曲面数学控制模型。并在此基础上,研究了残余应力的主动调控方法以及残余应力调控参数的优化分析。最后建立了感应加热辅助磨削集成工艺系统实验平台,并进行了大量的集成实验研究。结果表明,与普通磨削相比,新工艺下的磨削表层残余应力得到了较大的改善,进一步验证了本文所提出的通过温度梯度调控磨削残余应力机理的可行性。同时研究了影响最终残余应力分布的新工艺参数,并结合仿真分析结果,最终实现了集成工艺下残余应力的主动调控。

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