基于单颗磨粒切削的氮化硅陶瓷精密磨削仿真与实验研究

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导师姓名
邓朝晖
学科专业
机械工程
文献出处
湖南大学   2014年
关键词
氮化硅陶瓷论文  精密磨削论文  砂轮表面形貌建模论文  单颗磨粒切削论文  有限元仿真论文  工艺参数优化论文
论文摘要

工程陶瓷以其高强度、高硬度、耐磨、耐高温、耐化学腐蚀等优良性能,在工业、国防军工和航空航天等重要领域得到广泛应用。目前工程陶瓷等难加工材料的精密加工主要通过超硬精细磨料的精密磨削来实现。磨削加工过程本质上是由大量离散分布在砂轮表面的磨粒同时与被加工材料相互作用实现材料去除的过程,砂轮表面每一颗磨粒对被加工材料进行微观切削。因此单颗磨粒切削加工的机理研究成为认识复杂磨削加工机理的一种重要手段,砂轮表面形貌特征成为磨削过程建模与仿真、磨削过程优化不可缺少的前提条件。由于磨削加工成形机理复杂,导致磨削加工过程的工艺方案优选一直是困扰制造企业的难题。为了深化和推广工程陶瓷的应用,必须针对工程陶瓷精密磨削机理开展深入研究。本文以氮化硅陶瓷精密磨削加工为研究对象,以砂轮表面形貌检测、单颗磨粒切削实验、砂轮磨削实验为基础,利用数值仿真技术进行砂轮表面形貌建模、单颗磨粒切削仿真、砂轮磨削仿真,进而采用改进遗传神经网络算法进行磨削加工工艺参数优化,实现氮化硅陶瓷工件的高效精密磨削。具体研究工作内容包括:1)建立了考虑砂轮表面磨粒的尺寸、位置、角度、出刃高度分布与修整状态的砂轮表面形貌模型。通过金刚石砂轮表面形貌检测后的数字化图像处理与计数,并基于正态分布统计学规律表征了砂轮表面磨粒直径、尺寸分布、等效直径、体积密度、面积密度、平均间距等参数,选取截角八面体作为磨粒形状建立了砂轮表面形貌模型;验证了砂轮修整前后砂轮表面形貌模型的正确性,可有效用于磨削仿真。2)建构了单颗磨粒切削的实验与仿真系统。设计并制备了包括砂轮盘、单颗磨粒块、平衡块三部分的单颗磨粒切削工具,进行了单颗磨粒切削正交实验;采用JH-2材料本构模型模拟氮化硅陶瓷的力学行为,选用截角八面体模拟金刚石磨粒,进行了单颗金刚石磨粒切削氮化硅陶瓷的切削过程仿真;揭示了砂轮线速度、工件速度、切削深度对磨削力、工件表面形貌的影响规律;实验验证了仿真系统的可行性。3)进行了金刚石砂轮磨削氮化硅陶瓷的有限元仿真。将金刚石砂轮表面形貌的平面模型转化成圆面模型,根据磨削深度、磨削接触弧长等参数动态定义砂轮块与工件几何模型尺寸,进行了金刚石砂轮块磨削氮化硅陶瓷的仿真,分析仿真过程中氮化硅陶瓷工件的应力、磨削力、亚表面损伤深度的变化,讨论砂轮粒度、砂轮线速度、工件速度、磨削深度等工艺参数对氮化硅陶瓷工件的磨削力、亚表面损伤深度的影响规律,得出了与实验结果较一致的结论。表明金刚石砂轮磨削氮化硅陶瓷有限元仿真是正确合理的。4)建立了基于砂轮表面形貌模型与单颗磨粒切削仿真的磨削亚表面损伤深度预测模型。通过金刚石砂轮块磨削氮化硅陶瓷的有限元仿真,揭示了磨削过程中氮化硅陶瓷工件的应力与亚表面损伤深度的关系;修正了动态有效磨粒的未变形切削厚度计算公式,结合金刚石砂轮表面形貌模型与单颗磨粒的切削仿真建立了砂轮—磨削工艺参数—工件亚表面损伤深度之间的关系模型。5)建立了磨削工艺参数与加工结果之间的优化预测模型。从实验角度揭示了砂轮磨削最大未变形切削厚度与当量磨削厚度对磨削力、表面粗糙度、亚表面损伤深度的影响规律,建立了当量磨削厚度-亚表面损伤深度的经验公式;采用改进遗传神经网络,建立了金刚石砂轮磨削加工工艺参数优化模型,实现了金刚石砂轮磨削氮化硅陶瓷工件的质量预测与工艺优化。6)建立了氮化硅陶瓷球面精密磨削工艺优化系统。从几何运动学角度分析了氮化硅陶瓷球面廓形工件砂轮法向跟踪精密磨削的运动模式、磨削接触区域与磨削接触弧长,采用正交实验揭示了砂轮粒度、砂轮半径、砂轮线速度、进给速度、磨削深度等工艺参数对工件表面粗糙度、亚表面损伤深度的影响规律;将基于砂轮表面形貌模型与单颗磨粒切削的磨削仿真、改进遗传神经网络优化算法应用于氮化硅陶瓷球面磨削加工,用于预测工件的表面粗糙度、亚表面损伤深度、加工时间,优化工艺参数。

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摘要

Abstract

插图索引

附表索引

符号列表

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究现状

1.2.1 砂轮表面形貌检测与建模

1.2.2 单颗磨粒切削技术

1.2.3 工程陶瓷磨削机理研究

1.2.4 磨削仿真技术

1.2.5 磨削工艺优化

1.3 砂轮建模与磨削机理及其仿真优化研究存在的问题

1.4 课题来源、研究内容与意义

1.4.1 课题来源

1.4.2 研究内容

1.4.3 研究意义

1.5 本文组成

1.6 本章小结

第2章 精密磨削仿真与实验基础

2.1 概述

2.2 精密磨削仿真与实验总体方案

2.3 仿真与实验相关方法与理论

2.3.1 正态分布

2.3.2 有限元法

2.3.3 遗传神经网络算法

2.3.4 正交实验法

2.3.5 截面抛光法

2.4 实验材料与夹具

2.4.1 金刚石砂轮

2.4.2 氮化硅陶瓷工件

2.4.3 砂轮表面形貌检测夹具

2.4.4 工程陶瓷精密磨削夹具

2.5 实验装置与设备

2.5.1 超景深三维显微系统

2.5.2 高精密数控卧轴矩台平面磨床

2.5.3 数控坐标磨床

2.5.4 压电晶体测力仪

2.5.5 表面粗糙度仪

2.5.6 扫描电子显微镜

2.5.7 金刚石砂轮修整器

2.5.8 抛光设备

2.6 本章小结

第3章 砂轮表面形貌检测与建模

3.1 概述

3.2 砂轮表面形貌测量

3.3 砂轮表面磨粒参数的简单表征

3.4 砂轮表面形貌建模

3.4.1 砂轮与磨粒定义

3.4.2 砂轮立方体划分

3.4.3 磨粒分布

3.4.4 结合剂平面定义

3.5 砂轮表面形貌模型验证

3.5.1 磨粒分布的验证

3.5.2 磨粒出刃高度的验证

3.5.3 砂轮修整对砂轮表面磨粒出刃高度的影响

3.6 本章小结

第4章 单颗金刚石磨粒切削氮化硅陶瓷的实验研究

4.1 概述

4.2 单颗磨粒切削基础理论

4.2.1 硬脆材料磨削加工的物理模型

4.2.2 单颗磨粒切削加工的路径与实际切削厚度

4.2.3 单颗磨粒切削加工的路径设计

4.3 单颗磨粒切削实验装置

4.4 单颗磨粒切削工具设计与制备

4.4.1 单颗磨粒切削工具结构设计

4.4.2 单颗磨粒切削工具强度校核

4.4.3 单颗磨粒切削工具制备

4.5 单颗磨粒切削实验方案

4.6 单颗磨粒切削实验数据处理

4.6.1 单颗磨粒切削实验力信号处理

4.6.2 单颗磨粒切削正交实验分析

4.7 单颗磨粒切削实验分析

4.7.1 单颗磨粒切削力分析

4.7.2 单颗磨粒切削工件划痕形貌分析

4.8 本章小结

第5章 单颗金刚石磨粒切削氮化硅陶瓷的有限元仿真

5.1 概述

5.2 氮化硅陶瓷材料本构模型

5.3 单颗磨粒切削有限元模型

5.3.1 磨粒有限元模型

5.3.2 工件有限元模型

5.3.3 约束与加载

5.4 单颗磨粒切削仿真结果与讨论

5.4.1 单颗磨粒切削仿真的工件应力

5.4.2 单颗磨粒切削仿真的切屑与划痕

5.4.3 单颗磨粒切削仿真的工件亚表面损伤深度

5.4.4 单颗磨粒切削仿真的切削力

5.5 单颗磨粒切削加工仿真的实验验证

5.6 本章小结

第6章 金刚石砂轮磨削氮化硅陶瓷的实验研究

6.1 概述

6.2 金刚石砂轮磨削加工实验装置

6.3 金刚石砂轮磨削加工实验方案

6.3.1 金刚石砂轮修整实验

6.3.2 金刚石砂轮磨削实验

6.3.3 氮化硅陶瓷工件截面抛光实验

6.3.4 磨削力的测量与处理

6.3.5 表面与亚表面形貌的检测

6.4 金刚石砂轮磨削加工实验分析

6.4.1 磨削力分析

6.4.2 工件表面形貌与表面粗糙度分析

6.4.3 工件亚表面损伤深度分析

6.4.4 实验结果综合分析

6.5 本章小结

第7章 金刚石砂轮磨削氮化硅陶瓷的仿真与优化

7.1 概述

7.2 砂轮磨削加工理论基础

7.3 金刚石砂轮磨削仿真模型

7.3.1 砂轮块与工件几何模型

7.3.2 金刚石砂轮磨削有限元模型

7.4 金刚石砂轮磨削仿真结果与讨论

7.4.1 金刚石砂轮磨削仿真的工件应力分布

7.4.2 金刚石砂轮磨削力仿真

7.4.3 金刚石砂轮磨削仿真的磨削力与亚表面损伤深度

7.5 金刚石砂轮磨削加工仿真的实验验证

7.6 基于单颗磨粒切削仿真的金刚石砂轮磨削亚表面损伤

7.6.1 动态有效磨粒的最大未变形切削厚度

7.6.2 最大未变形切削厚度的最大值

7.6.3 单颗磨粒切削仿真的亚表面损伤深度

7.7 金刚石砂轮磨削加工工艺优化

7.7.1 磨削加工工艺优化方法

7.7.2 金刚石砂轮磨削加工工艺优化的实现

7.7.3 金刚石砂轮磨削氮化硅陶瓷加工工艺优化的验证

7.8 本章小结

第8章 氮化硅陶瓷球面精密磨削加工仿真与优化

8.1 概述

8.2 氮化硅陶瓷球面磨削加工方法

8.2.1 球面磨削加工方法的提出

8.2.2 球面磨削加工简单运动分析

8.3 氮化硅陶瓷球面磨削加工实验

8.3.1 球面磨削实验方案

8.3.2 球面磨削正交实验分析

8.4 氮化硅陶瓷球面磨削加工有限元仿真

8.4.1 金刚石电镀砂轮表面形貌模型

8.4.2 单颗磨粒切削有限元仿真

8.5 氮化硅陶瓷球面精密磨削加工工艺优化

8.6 本章小结

全文结论与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读博士学位期间所发表的学术论文

附录B 攻读博士学位期间所获得的软件著作权

附录C 攻读博士学位期间所参加的科研项目

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