金刚石钻头钎焊过程热动力学仿真

论文摘要

钎焊法生产金刚石制品具有金刚石与胎体结合强度高、容屑空间大、切削速度快，金刚石出刃高等优点。传统单层钎焊金刚石钻头在使用过程中，由于金刚石颗粒脱落，造成金刚石工具失效，因此我国深部地质找矿迫切需要一种长寿命金刚石钻头。本文以目前在地质勘探领域新兴的一次成型多层钎焊金刚石钻头为研究对象，针对其在生产过程中潜在的热裂缺陷，对其钎焊生产工艺中的降温冷却过程进行研究。对钻头和模具出炉后放置在冷却水套上快速冷却，和在自然环境下缓慢冷却两种冷却情况下钻头和模具的温度场进行数值仿真，获得了两种冷却条件下，钻头和模具温度场变化情况；使用了冷却水套后冷却速度要远远快于自然冷却的速度，冷却水套对降温过程的效果是非常显著的。对钻头和模具从出炉后用水套快速冷却和自然环境下缓慢冷却两种冷却条件下的应力场进行数值模拟，获得了两种冷却条件下，钻头和模具应力场随时间的变化情况；发现钻头和石墨模具在降温过程中温度梯度的存在，导致各部分之间变形量不一致，而产生热应力；此外钻头钢体、镍铬钎料与石墨模具热膨胀系数相差较大，在冷却过程中，钻头收缩幅度大于心模收缩幅度，钻头逐渐将心模箍紧，导致难以分离，且易造成钻头潜在的热裂缺陷。通过对多层钎焊金刚石钻头的现场生产过程进行观察，发现数值仿真得到的温度与应力情况变化趋势与实际生产过程中基本一致。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景与项目依托
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 粉末冶金数值模拟研究现状
• 1.2.2 铸造过程数值模拟研究现状
• 1.3 研究目的与研究意义
• 1.4 本文主要工作
• 第二章 热动力学分析理论基础
• 2.1 钎焊冷却过程热传导
• 2.1.1 热传导特点
• 2.1.2 热传导基本原理
• 2.1.3 导热微分方程及定界条件
• 2.2 热对流
• 2.2.1 对流传热基本原理及方程
• 2.2.2 均匀壁温竖壁自然对流实验关联式
• 2.2.3 有限空间自然对流实验关联式
• 2.2.4 水平热面向上自然对流实验关联式
• 2.2.5 水平热面向下自然对流实验关联式
• 2.3 辐射换热
• 2.3.1 辐射换热的特点
• 2.3.2 热辐射基本概念
• 2.3.3 热辐射数学模型
• 2.3.4 热辐射载荷施加方式
• 2.4 ANSYS 软件平台简介
• 第三章 钎焊冷却过程温度场有限元分析
• 3.1 引言
• 3.2 建模
• 3.2.1 实体模型的建立
• 3.2.2 网格划分
• 3.2.3 接触设置
• 3.3 材料热物性参数
• 3.3.1 钻头钢体热物性参数
• 3.3.2 镍铬钎料热物性参数
• 3.3.3 石墨模具热物性参数
• 3.3.4 相变问题的处理
• 3.4 仿真初始条件边界条件
• 3.4.1 水套冷却初始条件边界条件
• 3.4.2 自然冷却初始条件边界条件
• 3.5 水套冷却温度场有限元分析
• 3.6 自然缓慢冷却温度场有限元分析
• 3.7 本章结语
• 第四章 钎焊冷却过程应力场有限元分析
• 4.1 引言
• 4.2 热应力理论分析
• 4.2.1 弹塑性应力问题本构方程
• 4.2.2 增量形式的有限元基本公式
• 4.3 应力场仿真前期准备
• 4.3.1 热应力分析类型
• 4.3.2 施加载荷
• 4.4 水套冷却应力场有限元分析
• 4.5 自然冷却应力场有限元分析
• 4.6 本章结语
• 第五章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 作者简介
• 一 基本情况
• 二 研究项目
• 三 发表论文