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原文传递 46MnVS5连杆裂解槽脉冲激光加工温度场数值模拟及工艺研究

论文题名：	46MnVS5连杆裂解槽脉冲激光加工温度场数值模拟及工艺研究
关键词：	46MnVS5连杆;汽车发动机;脉冲激光加工;温度场数值模拟;连杆裂解槽
摘要：	裂解加工方法是汽车发动机胀断连杆制造领域的一项创新技术，该方法已广泛用于国内外多家汽车企业不同类型连杆的制造。胀断连杆在原材料的发展应用主要体现在以下三个方面：提高强度、减轻质量和降低成本。鉴于激光设备在切割36MnVS4连杆裂解槽出现的掉渣、断口不齐等不足问题，而国内对脉冲光纤激光切割中碳非调质钢46MnVS5连杆的工艺研究还未见报道；且连杆加工的裂解过程只能表现出初始和最终状态，难以了解裂解加工的本质，并且影响裂解质量的因素较多，如连杆的种类、工件本身的热物理性能以及激光输出功率、切割速度等，用实验研究方法既困难又费时费力，还有很大的局限性。因此，需采取有限元数值模拟方法，对倡导“环保材料”的新型胀断连杆46MnVS5的裂解加工过程进行探索和分析，并对其进行实验研究及工艺参数优化，这对企业提高连杆裂解槽的加工质量和生产效益具有重要意义。　　本文对脉冲光纤激光加工新型胀断连杆材料46MnVS5进行温度场数值模拟和工艺研究，主要研究内容和结论如下：　　（1）分析了46MnVS5的化学成分和金相组织，并从微观组织和合金元素等方面对比了46MnVS5与36MnVS4的胀断性能。　　（2）应用COMSOLMultiphysics搭建了数值模拟分析平台，基于微分传热方程确定了激光热源的加载方式；建立了脉冲激光热源加工连杆裂解槽的温度场模型，并对相关技术（边界条件、网格划分等）进行了分析；建立了46MnVS5热物理性能参数（比热容和导热系数）的数据库，并通过体积法测得其密度；研究并分析了各激光加工参数（脉冲功率、脉冲频率、脉冲宽度和切割速度）下的温度场分布及其对裂解槽几何尺寸的影响规律。通过温度场数值模拟，为进一步实验研究脉冲激光切割参数与46MnVS5连杆裂解槽质量参数的影响关系奠定了基础。　　（3）以数值模拟为理论依据，设计科学的实验方案，对脉冲光纤激光加工参数切割46MnVS5连杆裂解槽进行单因素实验研究。依次通过激光共聚焦显微镜观测每组工艺参数下的裂解槽的深度和宽度，并通过相应公式计算其张角，研究各激光工艺参数对裂解槽几何尺寸的影响规律。最后对比实验和仿真的结果，两者具有较好的一致性，验证了数值模拟的有效性。　　（4）在满足加工要求的工艺参数范围内，通过正交试验，并使用极差和方差分析研究了各脉冲激光加工连杆裂解槽的工艺参数对裂解槽深度、宽度和张角的影响规律，以及不同工艺参数的不同水平下的影响规律。根据正交试验结果，结合企业连杆生产加工要求，确定了脉冲激光切割46MnVS5连杆裂解槽的最佳组合工艺参数：脉冲功率1000W，脉冲频率1200Hz，脉冲宽度90μs，切割速度1.2m/min。最后，以激光加工最佳参数组合对46MnVS5连杆裂解槽进行实验切割，并观察其胀断形貌；结果表明：胀断效果良好，胀断缺陷得到明显改善，满足企业的加工要求和生产效益。
作者：	张传友
专业：	机械工程
导师：	王冠;刘赞丰
授予学位：	硕士
授予学位单位：	广东工业大学
学位年度：	2022