第十三届全国表面工程大会暨第十二届全国青年表面工程论坛

219 / 2020-09-20 23:24:26

激光熔覆校轴过程中温度场的数值模拟

再制造技术；激光熔覆；轴；校直；温度梯度

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随着国家对可持续发展的迫切需要，再制造技术日益受到重视。再制造技术是消除环境污染，减少资源浪费的有力武器。轴类零件和轴系部件是机械装置中的重要组成部分，我国年产轴类零件的总量约在10亿件左右，需要经过校直工艺的约占70%。如何将再制造技术和校直技术有机的组合在一起成为人们关注的焦点。20世纪80年代以来，激光熔覆及淬火技术在国内外的诸多工业领域里得到广泛应用，尤其对于机械零件的再制造修复。本文在此基础上将激光再制造技术应用于轴类零件的校直。本文提出了一种改进的三维有限元模型，用于研究轴类零件激光熔覆过程中的热行为和变形行为。分析了激光熔覆过程和冷却后各节点的温度、温度场分布、弯曲程度和弯曲方向。进一步深层次探索了激光熔覆校轴的机理。论文主要研究成果如下：

（1）利用ANSYS有限元软件，对轴类零件激光熔覆过程温度场进行了模拟，可知激光熔覆过程中熔覆区的温度分布最高，过渡区其次，轴基体的温度最低，变化很小。而且距离熔覆区越远，温度基本不变。温度梯度沿轴长方向和轴半径方向的分布。任意时刻温度场分布状况相似，即光斑中心处温度最高，并以光斑为中心向外逐层降低，等温线近似椭圆形，椭圆中心位于光斑中心。光斑经过处的温度和温度变化率随时间变化急剧，升温变化率很高，降温变化率也很高，表现出典型的急冷急热的特性。

（2）通过对熔覆区所在横截面圆周方向各点的温度分析可知，不论在激光熔覆过程中还是在轴冷却过程中，轴圆周方向上所测点的温度都是不同的，这样就产生了温度梯度，温度梯度使得各处的变形不均匀，最大温度梯度位于导致激光熔覆后轴弯曲的界面处。由此产生了轴的弯曲。熔覆过程中，轴向激光束发生凸弯曲变形，冷却过程后轴向激光束发生凹弯曲变形。证明了轴类零件激光熔覆矫直是可行的。基于ANSYS仿真结果计算出的跳动值与激光熔覆实验中的实测值非常接近，平均误差为0.0026mm。ANSYS仿真结果验证了其正确性。

（3）通过ANSYS有限元对温度场和变形的分析得出激光熔覆过程中沿轴长方向和轴径方向存在的巨大温度梯度导致热应力从而导致变形，进一步证实了温度梯度机理。