虚拟磨削关键理论及其技术的研究

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导师姓名
王宛山
学科专业
机械制造及其自动化
文献出处
东北大学   2009年
关键词
磨削论文  虚拟砂轮论文  磨粒磨损论文  计算机仿真论文  虚拟现实技术论文  虚拟加工技术论文  有限元法论文  光滑粒子流体动力学法论文
论文摘要

磨削加工是机械制造中重要的加工工艺,通常被用于零件的最后一道加工工序,以获得光洁的加工表面和精确的公差,是目前应用最为广泛的高效、高精密加工工艺。磨削加工与车、铣等加工方法相比存在着巨大的优势,但是由于磨削工具的独特性,即砂轮表面上磨粒形状的不规则性、尺寸的不确定性、分布的随机性以及砂轮运动的高速性,使得对磨削加工机理的研究及磨削加工过程的预测分析较其它加工方法困难得多。采用传统的解析法和实验法研究磨削过程都存在一定的弊端,解析模型的应用范围有限,而实验工作任务繁重。仿真法弥补了这两种方法的不足,是磨削加工研究的新方法。虚拟磨削加工技术的应用进一步扩展了磨削加工仿真研究的范围。虚拟的磨削过程使研究者能够更加直观地观察砂轮的磨削行为及材料的去除过程,从而有利于研究者对砂轮的磨削性能及加工质量做出准确的评价,因此,将虚拟磨削加工技术应用于磨削加工理论的研究极具实际意义。本文采用虚拟磨削加工与实验相结合的方法,对磨削加工机理及虚拟磨削表面形貌系统的开发两个方面进行了较深入的研究。论文的研究工作主要包括以下几个方面:(1)根据磨削加工的特点,确立了磨削物理仿真研究的数值模拟方法。分析了有限元法和光滑粒子流体动力学法的特点与适用范围,并通过仿真实例验证了其应用于磨削加工仿真研究的可行性。(2)采用Lagrange/Euler耦合算法与Lagrange/SPH耦合算法分别进行了单颗CBN磨粒切削45钢的仿真研究。根据仿真结果分析了各自算法的优缺点,并选择最佳方法进行了不同加工参数下的单颗磨粒切削仿真,进而分析了磨粒的切削机理。(3)考虑到砂轮表面上磨粒形状的不规则性、尺寸的不确定性、分布的随机性特点,构建了具有实际砂轮地貌特征的虚拟砂轮模型。采用该模型进行了磨削加工物理仿真,进而分析了砂轮的磨削特性及工件表面形貌的创成机理。(4)采用光滑粒子流体动力学法模拟了CBN磨粒的磨耗、破碎过程。根据磨粒的磨损形态及断裂行为分析了CBN磨粒的磨损机理。(5)基于虚拟现实技术理论,采用Visual C++编程软件及三维图形软件标准接口OpenGL开发了虚拟磨削表面形貌系统。以正六面体作为磨粒的基本形态,将其随机分布在砂轮基体表面上,建立了虚拟砂轮模型;建立了虚拟磨粒与工件的干涉计算模型。以平面磨削为例,进行了不同加工参数下的磨削仿真,进而测试了虚拟砂轮的磨削性能,并分析了磨削加工参数对工件表面粗糙度的影响。(6)采用超高速陶瓷CBN砂轮贴片样块,设计了磨粒划擦实验、砂块磨削实验及砂块磨损实验。通过比较实验结果与仿真结果,初步验证了单颗磨粒切削仿真、虚拟砂轮建模及其加工仿真、砂轮磨损仿真的正确性。

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摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 虚拟现实技术

1.1.1 虚拟现实技术的形成与发展

1.1.2 虚拟现实的基本特征

1.1.3 虚拟现实技术的应用

1.2 虚拟加工技术

1.2.1 虚拟加工的基本功能

1.2.2 虚拟加工的基本特征

1.3 虚拟加工技术的研究进展

1.3.1 虚拟加工几何仿真

1.3.2 虚拟加工物理仿真

1.4 磨削加工技术

1.4.1 磨削加工方法与分类

1.4.2 磨削加工的特点与优越性

1.5 虚拟磨削加工技术

1.5.1 磨削加工研究存在的困难

1.5.2 虚拟磨削加工及其研究意义

1.5.3 虚拟磨削加工研究的主要内容

1.5.4 虚拟磨削加工的研究现状

1.6 论文研究的意义、特色和框架

1.6.1 论文研究的意义

1.6.2 论文的特色和创新性

1.6.3 论文的框架结构

1.7 本章小结

第2章 虚拟磨削建模相关理论的研究

2.1 基于虚拟磨削建模的有限元法理论分析

2.1.1 有限元法的求解思想

2.1.2 有限元法的特点

2.1.3 单元算法分类

2.1.4 有限元法应用于磨削加工的实例仿真

2.2 光滑粒子流体动力学(SPH)方法理论基础

2.2.1 SPH方法基本理论

2.2.2 SPH方法相关问题

2.3 有限元法与光滑粒子流体动力学法的耦合算法

2.3.1 耦合原理

2.3.2 耦合方式

2.3.3 FEM与SPH耦合算法应用于磨削加工的实例仿真

2.4 本章小结

第3章 虚拟单颗磨粒切削过程研究

3.1 磨粒加工机理分析

3.1.1 磨粒的切削力

3.1.2 磨粒的切削热

3.2 单颗磨粒切削仿真

3.2.1 虚拟磨粒形状的选择

3.2.2 仿真模型及边界约束

3.2.3 材料模型

3.2.4 仿真结果与分析

3.2.5 不同磨刃前角下的切削过程仿真

3.2.6 不同切削深度下的切削过程仿真

3.3 虚拟单颗磨粒切削过程的实验验证

3.3.1 实验方案

3.3.2 实验结果与分析

3.4 本章小结

第4章 虚拟砂轮建模及其磨削过程研究

4.1 砂轮地貌分析

4.1.1 砂轮组成及特性

4.1.2 有效磨刃数

4.2 虚拟砂轮建模的关键技术

4.2.1 虚拟磨粒的形状

4.2.2 虚拟磨粒的分布

4.3 虚拟砂轮建模

4.3.1 虚拟磨粒的生成

4.3.2 虚拟砂轮的构建

4.4 虚拟磨削过程

4.4.1 虚拟单颗磨粒的切削过程

4.4.2 虚拟砂轮地貌模型

4.4.3 基于流固耦合有限元法的磨削过程仿真

4.4.4 基于FEM与SPH耦合算法的磨削过程仿真

4.5 虚拟砂轮磨削过程的实验验证

4.5.1 实验方案

4.5.2 实验结果与分析

4.6 本章小结

第5章 虚拟砂轮磨损研究

5.1 砂轮磨损机理

5.1.1 砂轮磨损形式

5.1.2 砂轮磨损特征

5.2 磨粒磨耗仿真研究

5.2.1 磨粒磨耗仿真模型

5.2.2 磨粒磨耗仿真结果与分析

5.3 磨粒破碎仿真研究

5.3.1 磨粒破碎仿真模型

5.3.2 磨粒破碎仿真结果与分析

5.4 虚拟砂轮磨损过程的实验验证

5.4.1 实验方案

5.4.2 实验结果与分析

5.5 本章小结

第6章 虚拟磨削表面形貌系统的研究与开发

6.1 磨削加工表面的分析

6.1.1 磨削加工表面的创成机理

6.1.2 磨削加工表面粗糙度的理论分析

6.2 虚拟磨削加工表面的研究

6.2.1 虚拟砂轮建模

6.2.2 虚拟工件建模

6.2.3 磨粒与工件的干涉模型

6.3 虚拟磨削表面形貌系统的开发

6.3.1 系统开发工具

6.3.2 OPENGL简介

6.3.3 系统的总体结构

6.3.4 系统的工作流程

6.4 虚拟磨削表面形貌系统的应用

6.4.1 平面磨削仿真

6.4.2 仿真结果与分析

6.5 本章小结

第7章 结论与建议

7.1 结论

7.2 建议

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表论文和参与科研项目

攻读博士学位期间发表论文

攻读博士学位期间参与科研项目

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