磨削过程建模与点磨削工艺的若干研究

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导师姓名
巩亚东
学科专业
机械制造及其自动化
文献出处
东北大学   2012年
关键词
点磨削论文  仿真论文  工件形貌论文  砂轮形貌论文  疲劳强度论文  陶瓷磨削论文
论文摘要

磨削是零件制造的主要加工方式,利用杂乱分布在砂轮表面的磨料去除工件材料,其占机械加工总量的30%-40%,是现代制造业中实现精密加工、超精密加工最有效、应用最广的制造技术。点磨削属于高速外圆磨削技术的范畴,广泛应用于轴类零件的加工,砂轮与工件轴线之间的夹角改变了两者的接触区域,导致磨削参量发生部分变化。计算机仿真技术可以预测磨削过程及相应参量变化,是辅助试验研究的一种有效手段,尤其试验条件有限情况下,起着重要的作用。本文采用了仿真与试验相结合的研究手段,以平面磨削和点磨削为研究载体,讨论了磨削工件表面形貌、砂轮表面特征、磨削零件疲劳强度变化及工程陶瓷的磨削加工等几个方面的内容,具体研究内容如下:(1)为探讨点磨削变量角度α对磨削工件表面形貌的影响,建立了以磨粒轨迹为组成元素的工件形貌创成模型,着重讨论了α与工件表面粗糙度关系,设计以磨削速度和变量角度为变量的试验对仿真模型和结果进行验证,提取了多个工件形貌评价因素进行对比研究,给出了点磨削对加工零件表面影响的相关结论。(2)磨削温度场的分布对间接讨论工件表面质量起着重要作用,采用有限元方法可以模拟磨削温度的峰值和变化情况,用移动热源模型揭示影响磨削温度变化的敏感参数,而挤压热分布模型则表征了磨削区域内温度与变量角度的关系,利用红外热像仪测量了磨削温度随变量角度和切削深度的变化。(3)基于球形磨粒在空间的随机振动,开发了砂轮的三维数值模型,用不规则六面体替换砂轮表层磨粒以形成新的砂轮形貌,引入以单点金刚石笔为物理原型的修整模型,利用激光传感器测量并统计分析实际砂轮形貌特征,从试验和仿真的角度阐述了修整对砂轮形貌特征的影响,并借助于有限元的手段简要讨论了砂轮的磨损仿真。(4)以建立的虚拟砂轮为磨削工具,将砂轮表面以离散的坐标并带入磨粒运动轨迹方程,选择有效轨迹组成三维工件形貌,研究单点金刚石笔修整参数与工件形貌的联系,试验测量和数值仿真形貌都揭露了磨粒切削对工件的复映效果;在磨粒随机分布下,讨论了其分布情况对接触弧长和未变形切屑厚度的影响。(5)为揭示点磨削加工方式对零件表面疲劳强度造成的影响,依据点磨削和疲劳试验进行讨论,分别采用45钢和Q235两种试件材料,结果显示:表面质量对45钢零件的疲劳寿命影响的敏感度高于Q235,采用合理加工参数可以提高45钢的疲劳强度。(6)探索地研究了点磨削对氧化锆和氮化硅两种工程陶瓷的可加工性,利用陶瓷工件的微观形貌归纳了“延性域”和“脆性域”的磨削效果,实际测量了陶瓷材料在理论切深和实际切深中的区别。最后,阐述了本文中所得结论,并基于试验和仿真中发现的问题,对下一步研究提出了建议。

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摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 磨削技术发展概述

1.3 点磨削工艺特性

1.4 磨削建模仿真研究

1.4.1 磨削建模仿真研究现状

1.4.2 磨削建模仿真研究意义

1.5 本文主要内容及相关现状

1.5.1 点磨削零件表面形貌

1.5.2 点磨削温度场分布研究

1.5.3 虚拟砂轮模型建模与形貌评价

1.5.4 磨削工件表面的宏观与微观创成分析

1.5.5 点磨削对零件表面疲劳强度研究

1.5.6 点磨削对工程陶瓷磨削

1.6 本章小结

第二章 高速点磨削表面创成仿真及试验

2.1 引言

2.2 磨粒运动轨迹

2.2.1 普通磨削运动模型

2.2.2 点磨削运动轨迹转化

2.2.3 工件表面生成原理

2.3 工件表面仿真

2.3.1 砂轮特征

2.3.2 数值形貌生成过程

2.4 试验与仿真结果分析

2.4.1 磨削试验设计

2.4.2 数值与试验形貌比较

2.4.3 变量角度对工件表面影响

2.4.4 磨削参数对工件表面影响

2.5 集成仿真界面开发

2.5.1 开发过程

2.5.2 仿真界面展示

2.6 本章小结

第三章 点磨削温度场分布研究

3.1 引言

3.2 磨削接触区温度分析与仿真

3.2.1 磨削热分配理论

3.2.2 有限元建模与仿真过程

3.2.3 仿真温度结果分析

3.2.4 干涉模型的温度仿真

3.3 点磨削温度测量试验

3.3.1 测量磨削温度试验设计

3.3.2 试验结果分析

3.4 本章小结

第四章 虚拟砂轮建模与形貌评价

4.1 引言

4.2 三维虚拟砂轮仿真

4.2.1 砂轮基本参数

4.2.2 生成方法

4.2.3 振动次数确定方法

4.2.4 结合剂定义

4.3 砂轮修整模型

4.3.1 砂轮形貌提取和转换

4.3.2 磨粒形状等效转换

4.3.3 砂轮修整方法

4.3.4 等效修整模型

4.4 虚拟砂轮地貌分析与试验测量

4.4.1 形貌测量试验设计

4.4.2 磨粒形状对比

4.4.3 切刃突出高度统计

4.4.4 磨粒间距统计分析

4.4.5 砂轮三维形貌分析

4.5 砂轮宏观磨损仿真

4.5.1 点磨削砂轮磨料层形状

4.5.2 接触几何模型

4.5.3 磨损仿真加载模型

4.5.4 磨损仿真结果

4.6 本章小结

第五章 磨削工件表面的宏观与微观创成分析

5.1 引言

5.2 磨削几何参数仿真

5.2.1 磨粒运动轨迹

5.2.2 磨削几何参数

5.2.3 几何参数仿真

5.2.4 对比分析

5.3 单颗磨粒切削仿真

5.3.1 基本运动关系

5.3.2 切削模型建立

5.3.3 仿真结果讨论

5.4 磨削工件表面预测与试验

5.4.1 工件表面仿真方法

5.4.2 验证试验设计

5.4.3 磨粒形状与工件形貌

5.4.4 工件三维形貌

5.4.5 表面高度分布概率

5.4.6 磨削参数与表面粗糙度

5.4.7 修整参数与表面粗糙度

5.5 仿真简化过程

5.5.1 参与切削的磨粒比例

5.5.2 磨粒形状的二维转化

5.6 本章小结

第六章 点磨削对零件疲劳强度研究

6.1 引言

6.2 疲劳试件制备

6.2.1 点磨削疲劳试件

6.2.2 试件表面测量

6.2.3 试件拉伸疲劳仿真

6.3 试件疲劳试验

6.3.1 疲劳试验过程

6.3.2 有限寿命分析

6.3.3 试件断口形貌

6.4 本章小结

第七章 点磨削对工程陶瓷的加工

7.1 引言

7.2 脆性材料切削机理

7.2.1 材料去除机理

7.2.2 压痕仿真分析

7.2.3 临界条件探讨

7.3 氧化锆磨削加工试验研究

7.3.1 磨削试验设计与测量

7.3.2 氧化锆表面与试验参数

7.3.3 氮化硅表面与试验参数

7.3.4 氧化锆与氮化硅对比分析

7.3.5 氧化锆理论切深与实际切深对比

7.4 本章小结

第八章 结论与展望

8.1 结论

8.2 展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文

攻读博士学位期间参与的科研项目

作者简介

附录

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