【摘要】：鎳基高溫合金Inconel718具有良好的高溫強度和高耐蝕性能,廣泛應(yīng)用于制造航空工業(yè)特別是燃?xì)鉁u輪發(fā)動機的高溫構(gòu)件。為了獲得較高的尺寸精度和表面質(zhì)量,常在其加工的最終階段安排磨削工藝。然而磨削工藝往往會使零件的表面產(chǎn)成較大的殘余拉應(yīng)力,這對零件的疲勞強度和疲勞壽命非常不利。因此需要保證在磨削表面形成較小的拉應(yīng)力甚至壓應(yīng)力,以提高加工零件的疲勞壽命。本文介紹了Inconel718合金的應(yīng)用背景及現(xiàn)有加工工藝需求,從而引出本文所研究的主要問題是對其磨削表面殘余應(yīng)力進(jìn)行主動調(diào)控。對國內(nèi)外在磨削殘余應(yīng)力的形成原因、改善方法以及測量技術(shù)等方面的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述和總結(jié)�；诮档凸ぜ韺蛹皝啽韺幽ハ鳒囟忍荻鹊脑沓霭l(fā),本論文提出一種復(fù)合磨削工藝,即利用控制良好的感應(yīng)加熱工藝將熱源嵌入到工件亞表層,以實現(xiàn)主動調(diào)節(jié)鎳基高溫合金零件表面的磨削殘余應(yīng)力分布。首先分析了通過調(diào)控磨削梯度改變殘余應(yīng)力的形成機理,在此基礎(chǔ)上提出亞表層加熱溫度的目標(biāo)。采用無接觸的感應(yīng)加熱結(jié)合表面冷卻技術(shù)來實現(xiàn)內(nèi)部溫度的植入,并研究了定位強化感應(yīng)加熱原理以及聚能器在電磁熱轉(zhuǎn)換過程中的作用機理�；谟邢拊獢�(shù)值模擬技術(shù)與所搭建的感應(yīng)加熱實驗系統(tǒng),研究了影響感應(yīng)加熱過程的重要工藝參數(shù),并建立了溫度場分布的數(shù)學(xué)預(yù)測模型。通過實例分析和實驗驗證,證明了所建立的溫度控制模型能夠有效實現(xiàn)溫度場的精確預(yù)測和調(diào)控。結(jié)合感應(yīng)加熱模型以及合適的磨削熱分析模型,建立了集成新工藝系統(tǒng)的殘余應(yīng)力有限元數(shù)值分析模型。該新工藝過程分析及控制模型能夠完成新工藝加工過程中工件層的溫度場計算和應(yīng)力場計算。為了實現(xiàn)最終殘余應(yīng)力分布狀態(tài)的主動調(diào)控,建立了殘余應(yīng)力與重要工藝參數(shù)之間的響應(yīng)曲面數(shù)學(xué)控制模型。并在此基礎(chǔ)上,研究了殘余應(yīng)力的主動調(diào)控方法以及殘余應(yīng)力調(diào)控參數(shù)的優(yōu)化分析。最后建立了感應(yīng)加熱輔助磨削集成工藝系統(tǒng)實驗平臺,并進(jìn)行了大量的集成實驗研究。結(jié)果表明,與普通磨削相比,新工藝下的磨削表層殘余應(yīng)力得到了較大的改善,進(jìn)一步驗證了本文所提出的通過溫度梯度調(diào)控磨削殘余應(yīng)力機理的可行性。同時研究了影響最終殘余應(yīng)力分布的新工藝參數(shù),并結(jié)合仿真分析結(jié)果,最終實現(xiàn)了集成工藝下殘余應(yīng)力的主動調(diào)控。
[Abstract]:Nickel base superalloy Inconel718 has good high temperature strength and high corrosion resistance. It is widely used to manufacture high temperature components of aeronautical industry, especially gas turbine engine. In order to obtain high dimensional accuracy and surface quality, grinding process is usually arranged in the final stage of machining. However, grinding process often results in large residual tensile stress on the surface of the parts, which is unfavorable to the fatigue strength and fatigue life of the parts. Therefore, it is necessary to form small tensile stress or even compressive stress on the grinding surface to improve the fatigue life of the machined parts. In this paper, the application background of Inconel718 alloy and the requirement of existing processing technology are introduced. Thus, the main problem studied in this paper is to regulate the residual stress of grinding surface actively. In this paper, the reasons for the formation of grinding residual stress, improvement methods and measurement techniques are summarized and summarized. Based on the principle of reducing the temperature gradient of workpiece surface grinding and subsurface grinding, this paper proposes a composite grinding technology, in which the heat source is embedded into the sub-surface layer of the workpiece by a well-controlled induction heating process. In order to realize active adjustment of grinding residual stress distribution on the surface of nickel-based superalloy parts. The formation mechanism of changing residual stress by controlling grinding gradient is analyzed, and the goal of subsurface heating temperature is put forward. The contact free induction heating combined with surface cooling technology is used to realize the implantation of internal temperature. The principle of the orientation enhanced induction heating and the mechanism of the accumulator in the electromagnetic heat transfer process are studied. Based on the finite element numerical simulation technology and the experimental system of induction heating, the important technological parameters affecting the induction heating process are studied, and the mathematical prediction model of temperature field distribution is established. Through the example analysis and experimental verification, it is proved that the established temperature control model can effectively predict and regulate the temperature field. Based on the induction heating model and the suitable grinding thermal analysis model, the finite element numerical analysis model of residual stress of integrated new process system is established. The new process analysis and control model can be used to calculate the temperature field and stress field of workpiece layer. In order to realize the active control of the final residual stress distribution, a mathematical control model of response surface between residual stress and important process parameters is established. On this basis, the active control method of residual stress and the optimization analysis of residual stress control parameters are studied. Finally, an experimental platform of induction heating assisted grinding integrated process system is established, and a large number of integrated experiments are carried out. The results show that the surface residual stress in the new grinding process has been greatly improved compared with the common grinding process, which further verifies the feasibility of the mechanism of grinding residual stress controlled by temperature gradient in this paper. At the same time, the new process parameters which affect the distribution of final residual stress are studied. Finally, the active control of residual stress under integrated process is realized by combining the results of simulation and analysis.
【學(xué)位授予單位】：清華大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TG580.6

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本文編號：2354740