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基于单颗磨粒切削的淬硬模具钢磨削机理研究

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导师姓名
周志雄
学科专业
机械制造及其自动化
文献出处
湖南大学   2010年
关键词
砂轮表面形貌论文  三维粗糙度评价论文  单颗磨粒切削论文  有限元仿真论文  磨削力论文  磨削温度论文  磨削表面完整性论文
论文摘要

淬硬模具钢由于其硬度高及耐磨性好等优点被广泛应用于模具制造业。但是淬硬模具钢磨削加工后表层/亚表层容易发生烧伤、白层软化等变质现象,磨削表面容易产生残余拉应力和微观裂纹,严重影响产品的使用性能和使用寿命,因此有必要对淬硬模具钢磨削机理进行深入研究。本论文从单颗磨粒切削过程研究入手,结合砂轮表面形貌测量和建模,将单颗磨粒切削机理与AISI D2淬硬模具钢磨削实验过程的磨削力、磨削温度以及磨削表面质量联系起来,揭示了砂轮状态、磨削工艺参数与表面完整性的联系,为磨削表面质量控制和磨削工艺参数优化提供了理论依据。所做的工作主要包括:(1)基于砂轮表面形貌测量的砂轮表面磨粒分布建模。用白光干涉仪对不同粒度氧化铝砂轮表面形貌进行了测量;根据砂轮形貌的空间频率组成,用功率谱密度分析法对测量结果进行了滤波,去掉了高频分量和测量白噪声,对砂轮表面形貌进行了重构;引入伯明翰三维粗糙度特征参数对砂轮表面磨粒密度、磨粒局部尖端形状及磨粒锋利程度进行了评价,对磨粒的出刃高度统计结果进行参数检验,建立了磨粒出刃高度符合正态分布规律的氧化铝砂轮模型。(2)单颗磨粒切削仿真有限元模型的建立及实验验证。根据单颗磨粒切削的物理模型建立了单颗磨粒切削的力学模型;建立了单颗磨粒切削的有限元模型,包括基于砂轮形貌测量的磨粒几何模型,基于霍普金森压杆实验数据的AISI D2钢材料本构关系建模,氧化铝磨粒对AISI D2钢的摩擦实验等;通过直角切削实验验证了材料模型的准确性,进一步通过球—盘摩擦实验验证了单颗磨粒切削有限元模型的可靠性。通过单颗磨粒切削有限元仿真,研究了磨粒粒度及切削参数对材料变形、耕犁—切削转变临界切深、切削力(比)、切屑厚度以及剪切角等物理量的影响规律。(3) AISI D2淬硬模具钢的正交和单因素平面磨削实验。进行了氧化铝砂轮磨削AISI D2钢的正交磨削实验,建立了氧化铝砂轮磨削AISI D2钢的磨削力经验模型,通过影响因素分析法判断了砂轮粒度和磨削参数对磨削力的影响程度;进行了单因素磨削实验,并利用单颗磨粒切削机理研究的结论解释了砂轮粒度和.磨削工艺参数对磨削力(比)的影响规律。(4)基于砂轮表面磨粒分布和单颗磨粒切削力的磨削力预测及磨削实验验证。根据砂轮表面磨粒出刃高度分布模型,针对具体磨削工艺参数,假设单位时间内磨削去除材料体积等于磨削区域参与磨削的有效磨粒去除材料总体积,计算各有效磨粒的切削深度,将相应的单颗磨粒切削仿真力的结果在磨削区域内进行集成,预测磨削力;将磨削实验获得的磨削力和预测磨削力进行比较,验证了磨削力预测方法的可靠性。(5)磨削温度估计及磨削表面质量的研究。将磨削过程与二次回火热处理过程联系起来,将不同温度下二次回火后试样的表层/亚表层硬度,与磨削实验后磨削表层/亚表层硬度进行对比,对磨削区平均温度进行了估计;利用白光干涉仪、金相显微镜、显微硬度计和X射线残余应力测试仪对AISI D2钢磨削表面的表面完整性进行了测量分析,利用单颗磨粒切削机理研究的结论解释磨削表面完整性的产生机理,揭示了砂轮粒度和磨削参数对磨削表面形状误差以及粗糙度、表层/亚表层微观组织变化、表层/亚表层加工硬化以及残余应力的影响规律。

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摘要

ABSTRACT

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1.1 选题背景和研究目的

1.2 砂轮表面形貌测量及建模的发展

1.2.1 砂轮表面形貌测量技术及评价方法

1.2.2 砂轮表面形貌的数学建模

1.3 单颗磨粒切削研究的发展现状

1.3.1 单颗磨粒切削的实验研究

1.3.2 磨削(单颗磨粒切削)的数值仿真技术

1.4 磨削力的研究

1.4.1 磨削力的理论公式

1.4.2 磨削力的经验公式

1.4.3 磨削力的尺寸效应

1.5 磨削温度测量技术

1.6 表面质量的研究

1.6.1 磨削表面微观组织变化

1.6.2 磨削表面加工硬化

1.6.3 磨削表面粗糙度及形状误差

1.6.4 磨削表面残余应力

1.7 本文的主要研究内容

1.8 研究框架

第2章 砂轮表面磨粒出刃高度的数学建模

2.1 砂轮表面形貌测量

2.1.1 白光干涉仪测量原理

2.1.2 测量参数和测量结果

2.1.3 测量结果处理

2.2 砂轮表面形貌特征评价

2.2.1 磨粒密度

2.2.2 磨粒平均间距

2.2.3 磨粒形状和锋利程度

2.3 砂轮表面磨粒出刃高度分布的建模

2.4 本章小结

第3章 单颗磨粒切削有限元模型的建立

3.1 单颗磨粒切削物理力学模型建立

3.1.1 单颗磨粒切削物理模型

3.1.2 单颗磨粒切削力学模型

3.2 单颗磨粒切削有限元模型的建立

3.2.1 数值计算方法

3.2.2 磨粒几何模型

3.2.3 磨粒材料模型

3.2.4 AISI D2钢材料本构模型的构建

3.2.5 磨粒—工件摩擦模型

3.3 有限元模型的验证

3.4 单颗磨粒切削仿真参数的设计

3.5 仿真结果及其讨论

3.5.1 耕犁—切削转变临界切深

3.5.2 切削力(比)

3.5.3 切屑厚度及剪切角

3.6 二维和三维单颗磨粒切削仿真对比分析

3.7 本章小结

第4章 磨削力预测及磨削实验验证

4.1 磨削实验

4.1.1 实验设备

4.1.2 正交法和单因素法设计磨削实验方案

4.1.3 磨削力的测量和处理

4.2 磨削力预测

4.2.1 磨削力预测方法

4.2.2 接触弧长计算

4.2.3 磨削接触区磨粒出刃高度的计算

4.2.4 实际参与磨削作用的磨粒切深计算

4.3 磨削力预测结果和磨削实验结果的对比及误差分析

4.4 本章小结

第5章 磨削加工表面质量的研究

5.1 二次回火预测磨削区平均温度

5.1.1 对比氧化膜色谱的温度预测法

5.1.2 对比表层/亚表层硬度的温度预测法

5.2 磨削表层/亚表层微观组织变化的分析

5.2.1 实验方法

5.2.2 表层/亚表层微观组织结构

5.2.3 表层/亚表层微观组织形成机理

5.2.4 实验结果分析

5.3 磨削表面形状误差及粗糙度的测量

5.3.1 磨削表面特征测量及其辨识

5.3.2 表面形状误差和粗糙度测量结果讨论

5.4 磨削表面残余应力的研究

5.4.1 磨削表面残余应力的产生

5.4.2 实验原理及测试方法

5.4.3 测量结果分析

5.5 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 全文总结

6.2 创新性成果

6.3 研究展望

参考文献

致谢

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