CN111859735A - 一种激光熔覆修复轴面磨损件工艺的优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种一种激光熔覆修复轴面磨损件工艺的优化方法,通过定义随温度变化的材料热物性参数,实现材料非线性问题的分析,保证分析过程的可靠性;通过定义热源模型为体生热率模型,能够准确模拟同轴送粉方式的熔融粉末传热过程;通过采用柱坐标系下APDL编程的方式,可以实现在零件轴面进行激光熔覆的模拟过程;通过采用间接顺序热‑结构耦合的方式进行计算,先进性温度场计算,再进行应力场计算,耦合方程少,易于收敛。
Description
技术领域
本发明属于轴面磨损件检修技术领域,具体涉及一种基于ANSYS的激光熔覆修复轴面磨损件工艺的优化方法。
背景技术
轴类磨损问题是企业生产设备管理中经常出现的问题,长期以来,企业面对轴磨损问题很难采用传统方法进行设备修理,很多企业往往采用更换备件的方式处理问题,备件的拆卸不仅费用高、工作量大,而且大量备件的库存,给企业的现金流带来极大的压力和无形的经济损失,传统的补焊机加工方法易造成材质损伤,导致部件变形或断裂,具有较大的局限性;刷镀和喷涂再机加工的方法往往需要外协,不仅修复周期长、费用高,而且因修补的材料还是金属材料,不能从根本上解决造成磨损的原因,即金属抗冲击能力及退让性较差;更有许多部件只能采取报废更换,大大增加了生产成本和库存备件,使企业良好的资源优势遭到闲置和浪费,因此选择激光熔覆对轴面磨损件进行尺寸修复是一种较好的选择,磨损轴面激光熔覆是利用激光熔覆工艺在损伤轴面立体堆积形成基于冶金熔合的致密金属覆层,使其形状、尺寸以及性能得以复原的制造过程,但是激光熔覆过程中受到时变高温热循环和异质材料基材和粉末的热物理性能影响,其成形机理非常复杂,若控制不当将影响制造质量,甚至产生微裂纹等缺陷。因此,研究磨损轴面激光熔覆过程是必要的,因此,急需找到一种简便、快捷、费用低的修复方法。
发明内容
为克服现有技术的不足,本发明提供一种激光熔覆修复轴面磨损件工艺的优化方法,该方法是基于ANSYS软件的同轴送粉式激光熔覆修复轴面磨损件的工艺优化方法,可简便、快捷、准确的优化工艺参数,为轴面修复提供了便利。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
一种激光熔覆修复轴面磨损件工艺的优化方法,具体包括以下步骤:
(1)确定轴面磨损零件和激光熔覆粉末随温度变化的热物性参数,其中包括热分析物理参数和应力分析参数;
(2)确定轴面磨损零件尺寸参数,利用三维建模软件创建三维模型,导入ansys软件;
(3)定义热分析单元,选取solid70单元为热分析单元,solid185单元为应力分析单元,进行网格划分;
(4)定义非线性求解选项;
(6)定义激光熔覆工艺参数,包括激光功率,扫描速度,扫描时间;
(7)定义边界条件,计算基底初始温度,施加对流换边界条件,进行一次稳态分析;
(8)利用ansys软件的生死单元功能来模拟熔覆过程;
(9)进行激光熔覆过程分析,计算在不同工艺参数下的激光熔覆温度场的分布情况;
(10)进行激光熔覆应力场分析,对激光熔覆温度场的计算结果进行二次计算,得到激光熔覆应力场的分布情况;
(11)建立工艺参数预测模型,以残余应力为评价指标,得到最优的工艺参数。
进一步的,上述步骤(1)中的热物性参数包括:密度、热传导系数、比热容、空气和工件的换热系数、弹性模量、泊松比、屈服强度、切变模量、线膨胀系数。
进一步的,上述步骤(1)中热物性参数要考虑空气的总换热系数,并且所有的参数要根据温度的变化来定义。
进一步的,上述步骤(3)中,网格划分使用映射方法,采用非均匀的网格划分,在熔覆层及热影响区部位进行了网格细化,在远离熔覆区域的单元尺寸相对大一些。
进一步的,上述步骤(4)中,定义非线性求解选项时,设置为瞬态分析,采用完全瞬态积分法,设置为完全牛顿-拉普森方法,采用连续性载荷,规定每个子步中的最大迭代次数,设置输出每一步计算结果。
进一步的,在上述步骤(8)中,利用ansys软件的生死单元功能来模拟熔覆过程时,在圆柱坐标系下,利用生死单元方法对熔覆层单元进行“杀死”和“激活”操作,在熔覆开始前先将熔覆层单元“杀死”,开始熔覆后将单元逐步“激活”。
进一步的,在所述步骤(9)中,激光熔覆采用APDL编程的方式实现轴面表面的熔覆修复,在圆柱坐标系下将熔覆层单元逐步激活,同时在激活单元上施加体生热率载荷,求解得到激光熔覆的温度场分布结果。
进一步的,在所述步骤(10)中,进行应力场分析时,采用顺序间接热-结构耦合的方式,进行单元转换,将热分析单元solid70转换为应力分析单元solid185,网格模型采用热分析模型面对模型施加外部约束,将温度场的计算结果导入应力场分析中作为载荷施加到应力场分析模型上。
进一步的,在所述步骤(11)中,建立工艺参数预测模型采用实验设计技术、响应面法和方差分析方法,对工艺参数与输出响应的关系及工艺参数之间的相互作用进行分析,实现对工艺参数的优化。
进一步的,在上述步骤(7)中,定义边界条件,计算基底初始温度,施加对流换边界条件,实现对轴面零件外表面的熔覆过程,是一个传热—相变蒸发—冷却变形的过程,初始条件如下:,T0是基板和粉末的初始温度,T0=25°C;激光照射工件时,产生的热量只有一小部分被基体和粉末吸收,其余的热量被对流和辐射耗散,熔覆过程的边界条件描述如下:
,其中,k为导热率,h1为顶面对流系数,T为激光辐射温度的最大值,T0为环境温度,T0=25°C,s为Stefan-Boltzmann常数,e为表面反射率;基底底面的边界条件描述如下:,式中,h2是基板底面的等效对流系数;其他表面边界条件如所示:
,式中h3为自然对流系数。
本发明的有益效果:本发明通过定义随温度变化的材料热物性参数,实现材料非线性问题的分析,保证分析过程的可靠性;通过定义热源模型为体生热率模型,能够准确模拟同轴送粉方式的熔融粉末传热过程;通过采用柱坐标系下APDL编程的方式,可以实现在零件轴面进行激光熔覆的模拟过程;通过采用间接顺序热-结构耦合的方式进行计算,先进性温度场计算,再进行应力场计算,耦合方程少,易于收敛。
本发明通过建立开发一种简便、快捷、准确的数值仿真模型来预测优化激光熔覆修复轴面磨损件工艺,有效地减少通过试验和误差分析以获得最优工艺参数,为轴面修复提供了便利。
附图说明
图1为本发明激光熔覆修复轴面磨损件工艺的优化方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例:一种激光熔覆修复轴面磨损件工艺的优化方法,具体包括以下步骤:
(1)确定轴面磨损零件和激光熔覆粉末随温度变化的热物性参数,其中包括热分析物理参数和应力分析参数,热物性参数包括:密度、热传导系数、比热容、空气和工件的换热系数、弹性模量、泊松比、屈服强度、切变模量、线膨胀系数,此外还要考虑空气的总换热系数,并且所有的参数要根据温度的变化来定义。ANSYS APDL软件可通过定义材料随温度变化的焓值来考虑材料相变的影响。在数值模拟中焓值的变化可表示为:,其中,ρ为密度,c是随温度变化的比热容;(2)确定轴面磨损零件尺寸参数,利用三维建模软件创建三维模型,导入ansys软件;
(3)定义热分析单元,选取solid70单元为热分析单元,solid185单元为应力分析单元,进行网格划分,网格划分使用映射方法,采用非均匀的网格划分,在熔覆层及热影响区部位进行了网格细化,在远离熔覆区域的单元尺寸相对大一些;
(4)定义非线性求解选项,定义非线性求解选项时,设置为瞬态分析,采用完全瞬态积分法,设置为完全牛顿-拉普森方法,采用连续性载荷,规定每个子步中的最大迭代次数,设置输出每一步计算结果;
(5)选取热源模型,选择热源计算公式,选取热源模型为体生热率模型,能够准确模拟同轴送粉方式的熔融粉末传热过程,生热率公式为,式中λ 为激光能量的利用率,P为激光输出功率,A 为熔覆层的横截面面积,v 为扫描速度,t为每个载荷步的时间;
(6)定义激光熔覆工艺参数,包括激光功率,扫描速度,扫描时间;
(7)定义边界条件,计算基底初始温度,施加对流换边界条件,进行一次稳态分析;
(8)利用ansys软件的生死单元功能来模拟熔覆过程,在圆柱坐标系下,利用生死单元方法对熔覆层单元进行“杀死”和“激活”操作,在熔覆开始前先将熔覆层单元“杀死”,开始熔覆后将单元逐步“激活”;
(9)进行激光熔覆过程分析,计算在不同工艺参数下的激光熔覆温度场的分布情况,激光熔覆采用APDL编程的方式实现轴面表面的熔覆修复,在圆柱坐标系下将熔覆层单元逐步激活,同时在激活单元上施加体生热率载荷,求解得到激光熔覆的温度场分布结果;
(10)进行激光熔覆应力场分析,对激光熔覆温度场的计算结果进行二次计算,得到激光熔覆应力场的分布情况,进行应力场分析时,采用顺序间接热-结构耦合的方式,进行单元转换,将热分析单元solid70转换为应力分析单元solid185,网格模型采用热分析模型面对模型施加外部约束,将温度场的计算结果导入应力场分析中作为载荷施加到应力场分析模型上,先进行温度场计算,再进行应力场计算,耦合方程少,易于收敛;
(11)建立工艺参数预测模型,以残余应力为评价指标,得到最优的工艺参数。
进一步的,在所述步骤(11)中,建立工艺参数预测模型采用实验设计技术、响应面法和方差分析方法,对工艺参数与输出响应的关系及工艺参数之间的相互作用进行分析,实现对工艺参数的优化。
进一步的,在上述步骤(7)中,定义边界条件,计算基底初始温度,施加对流换边界条件,实现对轴面零件外表面的熔覆过程,是一个传热—相变蒸发—冷却变形的过程,初始条件如下:,T0是基板和粉末的初始温度,T0=25°C;激光照射工件时,产生的热量只有一小部分被基体和粉末吸收,其余的热量被对流和辐射耗散,熔覆过程的边界条件描述如下:
,其中,k为导热率,h1为顶面对流系数,T为激光辐射温度的最大值,T0为环境温度,T0=25°C,s为Stefan-Boltzmann常数,e为表面反射率;基底底面的边界条件描述如下:,式中,h2是基板底面的等效对流系数;其他表面边界条件如所示:
,式中h3为自然对流系数。
本发明通过建立开发一种简便、快捷、准确的数值仿真模型来预测优化激光熔覆修复轴面磨损件工艺,有效地减少通过试验和误差分析以获得最优工艺参数,为轴面修复提供了便利。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,对于本领域的普通技术人员而言,可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种激光熔覆修复轴面磨损件工艺的优化方法,其特征在于,具体包括以下步骤:
(1)确定轴面磨损零件和激光熔覆粉末随温度变化的热物性参数,其中包括热分析物理参数和应力分析参数;
(2)确定轴面磨损零件尺寸参数,利用三维建模软件创建三维模型,导入ansys软件;
(3)定义热分析单元,选取solid70单元为热分析单元,solid185单元为应力分析单元,进行网格划分;
(4)定义非线性求解选项;
(6)定义激光熔覆工艺参数,包括激光功率,扫描速度,扫描时间;
(7)定义边界条件,计算基底初始温度,施加对流换边界条件,进行一次稳态分析;
(8)利用ansys软件的生死单元功能来模拟熔覆过程;
(9)进行激光熔覆过程分析,计算在不同工艺参数下的激光熔覆温度场的分布情况;
(10)进行激光熔覆应力场分析,对激光熔覆温度场的计算结果进行二次计算,得到激光熔覆应力场的分布情况;
(11)建立工艺参数预测模型,以残余应力为评价指标,得到最优的工艺参数。
2.根据权利要求1所述的一种激光熔覆修复轴面磨损件工艺的优化方法,其特征在于,上述步骤(1)中的热物性参数包括:密度、热传导系数、比热容、空气和工件的换热系数、弹性模量、泊松比、屈服强度、切变模量、线膨胀系数。
3.根据权利要求1所述的一种激光熔覆修复轴面磨损件工艺的优化方法,其特征在于,上述步骤(1)中热物性参数要考虑空气的总换热系数,并且所有的参数要根据温度的变化来定义。
4.根据权利要求1所述的一种激光熔覆修复轴面磨损件工艺的优化方法,其特征在于,上述步骤(3)中,网格划分使用映射方法,采用非均匀的网格划分,在熔覆层及热影响区部位进行了网格细化,在远离熔覆区域的单元尺寸相对大一些。
5.根据权利要求1所述的一种激光熔覆修复轴面磨损件工艺的优化方法,其特征在于,上述步骤(4)中,定义非线性求解选项时,设置为瞬态分析,采用完全瞬态积分法,设置为完全牛顿-拉普森方法,采用连续性载荷,规定每个子步中的最大迭代次数,设置输出每一步计算结果。
6.根据权利要求1所述的一种激光熔覆修复轴面磨损件工艺的优化方法,其特征在于,在上述步骤(8)中,利用ansys软件的生死单元功能来模拟熔覆过程时,在圆柱坐标系下,利用生死单元方法对熔覆层单元进行“杀死”和“激活”操作,在熔覆开始前先将熔覆层单元“杀死”,开始熔覆后将单元逐步“激活”。
7.根据权利要求1所述的一种激光熔覆修复轴面磨损件工艺的优化方法,其特征在于,在所述步骤(9)中,激光熔覆采用APDL编程的方式实现轴面表面的熔覆修复,在圆柱坐标系下将熔覆层单元逐步激活,同时在激活单元上施加体生热率载荷,求解得到激光熔覆的温度场分布结果。
8.根据权利要求1所述的一种激光熔覆修复轴面磨损件工艺的优化方法,其特征在于,在所述步骤(10)中,进行应力场分析时,采用顺序间接热-结构耦合的方式,进行单元转换,将热分析单元solid70转换为应力分析单元solid185,网格模型采用热分析模型面对模型施加外部约束,将温度场的计算结果导入应力场分析中作为载荷施加到应力场分析模型上。
9.根据权利要求1所述的一种激光熔覆修复轴面磨损件工艺的优化方法,其特征在于,在所述步骤(11)中,建立工艺参数预测模型采用实验设计技术、响应面法和方差分析方法,对工艺参数与输出响应的关系及工艺参数之间的相互作用进行分析,实现对工艺参数的优化。
10.根据权利要求1所述的一种激光熔覆修复轴面磨损件工艺的优化方法,其特征在于,在上述步骤(7)中,定义边界条件,计算基底初始温度,施加对流换边界条件,实现对轴面零件外表面的熔覆过程,是一个传热—相变蒸发—冷却变形的过程,初始条件如下:,T0是基板和粉末的初始温度,T0=25°C;激光照射工件时,产生的热量只有一小部分被基体和粉末吸收,其余的热量被对流和辐射耗散,熔覆过程的边界条件描述如下:
,其中,k为导热率,h1为顶面对流系数,T为激光辐射温度的最大值,T0为环境温度,T0=25°C,s为Stefan-Boltzmann常数,e为表面反射率;基底底面的边界条件描述如下:,式中,h2是基板底面的等效对流系数;其他表面边界条件如所示:,
式中h3为自然对流系数。
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