非一致曲率表面下的气压砂轮磨粒剪胀及加工试验研究#br#

针对软固结磨粒气压砂轮在加工异形曲面时,工件所受的切削力以及接触区内磨粒速度因工件曲率发生变化,导致工件不同曲率处材料去除量不均匀的问题, 基于修正的Rowe剪胀理论建立砂轮切削力模型,提出了非一致曲率表面下修正的气压砂轮材料去除模型。通过EDEM软件建立了软固结磨粒气压砂轮模型,分析了砂轮下压量为1.5 mm时工件曲率对接触力以及接触区内磨粒速度的影响。搭建气压砂轮加工试验平台,通过光整加工试验验证修正的材料去除模型。研究结果表明：修正的材料去除模型平均绝对值误差为0.095,而原始的材料去除模型平均绝对值误差为0.291,说明修正的材料去除模型可以用于气压砂轮抛光过程中的定量分析,且工件加工表面划痕明显减少。     

软固结磨粒群内部磨粒拓扑结构对材料去除的影响

针对软固结磨粒气压砂轮光整加工新方法,研究气压砂轮软固结磨粒群的内部磨粒拓扑结构对被加工材料去除率的影响规律。建立气压砂轮材料去除机理模型,分析软固结磨粒群在单压缩载荷下内部细观组构参量及力链网络的演化过程,研究了软固结磨粒群的宏观力学特征与细观结构演化之间的关系,数值模拟了具有不同拓扑结构的磨粒层与工件接触区域内的应力分布规律。将软固结磨粒气压砂轮用于激光强化自由曲面光整加工实验,得到了磨粒目数及体积配比对材料去除量及表面粗糙度的影响规律,试验结果表明,软固结磨粒气压砂轮可用于激光强化表面的光整加工并获得良好的加工效果。     

基于G-W模型的软固结磨粒群接触力分析研究

针对激光强化模具自由曲面的光整加工问题,对软固结磨粒群气压砂轮与模具表面接触力、下压量进行了研究,对砂轮接触模具表面时的磨粒姿态进行了分析,提出了一种基于G-W接触模型构建了软固结磨粒群接触力模型。利用ANSYS WORKBENCH对不同的下压量进行了仿真分析,得到了相应接触力的分布情况,验证了接触力模型的有效性。通过气压砂轮光整实验平台,利用Kistler 9129AA切削力测试仪对不同下压量的接触力进行了测试。研究结果表明,基于G-W的软固结磨粒群接触力模型能够用于计算气压砂轮与模具表面的接触力,接触力与下压量的成类线性关系,且线性关系良好。     

软固结磨粒群剪胀效应及材料去除特性分析

针对软固结磨粒群气压砂轮复杂曲面精密加工问题,提出了一种软固结磨粒群剪胀分析模型,并以微观视角为切入点研究气压砂轮软固结磨粒群的微观剪胀效应对被加工件材料去除特性的影响规律。基于磨粒群剪胀效应分析,建立了孔隙率与黏结磨粒系统阻尼系数的数学模型,结合孔隙比与平均应力的关系,推导了磨粒群作用接触面的应力方程,建立了发软固结磨粒群材料去除模型。通过PFC3D仿真和力传感器测力设备验证了剪胀效应对接触力的影响规律。光整加工试验结果表明,可根据剪胀效应的规律来提高黏结剂阻尼系数从而提高曲面模具材料的去除效果,相同加工时间内,阻尼系数提高约5.0×105,材料去除量累计提高近31.91%,曲面模具的粗糙度降低近32.34%,工件划痕明显减少。     

软固结磨粒群加工方法及材料去除特性的分析

为了解决高硬度模具自由曲面光整技术难点,提出一种软固结磨粒群加工新方法(Softness consolidation abrasives,SCA).所谓软固结磨粒群,特指由高聚物黏结剂黏结于气压砂轮基体表面的磨粒群体,其宏观上不像游离磨粒那样可自由移动,而微观上每个磨粒均受到黏结剂在各个方向的弹性支撑.结合层间弹性力学体系分析,讨论双层弹性体中(橡胶基体层-磨粒层)的力穿越问题,得到表层单颗磨粒的切削力学模型.建立基于应力修正的Preston方程,解决柔性基体供力时存在的应力滞后问题.根据磨粒硬度特性进行系数修正,给出材料去除经验公式.对磨粒群的切削力和速度进行数值模拟,建立材料去除的定量预估模型.总结高效光整加工的配比条件,并通过针对激光强化模具表面的光整试验,验证修正后的Preston方程的准确性.     

软固结磨粒群气压砂轮的力学特性分析

提出以软固结磨粒群(Softness consolidation abrasives,SCA)气压砂轮为工具的加工方法,对磨粒群密集颗粒系统的力学特性进行分析,用于解决激光强化后局部高硬度区域难以高效光整的问题。引入软球接触模型建立磨粒软固结形态下的微观接触力模型,引入全局阻尼系数得出了磨粒蠕变时的位移和速度公式。通过PFC3D仿真,验证了接触力计算公式,建立了颗粒系统的接触力网。对单颗磨粒在z轴方向上的速度进行跟踪研究,证实了SCA在加工时的存在蠕变现象。结合修正的Preston的方程,针对激光强化自由表面进行加工试验。试验结果表明:在相同加工时间内,SCA累积高出游离磨粒近34.35%的材料去除量,且避免了刚性砂轮面向曲面加工时产生的划痕,SCA加工可大幅提升面向高硬度曲面的光整效率。     

软固结磨粒群宏观力学特性对材料去除的影响研究

针对软固结磨粒气压砂轮不同成分组成的粘磨层(粘结剂与磨粒混合层)影响模具激光强化表面材料去除的问题,对不同目数磨粒与粘结剂百分比的粘磨层在单轴压缩载荷下的宏观力学特性展开了分析,提出了将离散元方法 PFC3D模拟技术应用于软固结气压砂轮光整加工领域,利用该软件建立了软固结磨粒群模型,建立了其与材料去除之间的联系。最后,通过Instron-5966l拉伸试验机进行了压缩实验,验证了仿真准确性;并针对激光强化模具表面进行了光整试验。研究结果表明,磨粒目数及粘结剂百分比不同的粘磨层对模具激光强化表面将产生不同的材料去除。     

软固结气压砂轮磨粒磨损研究

为解决自由曲面高效光整加工的问题,将软固结气压砂轮光整技术应用到模具加工中。软固结磨粒群在磨削时能受到柔性支撑,其磨削特性既不同于砂带,也不同于游离磨粒,然而气压砂轮有效加工的时间很短,磨损情况较为严重。针对这一情况,开展了软固结磨粒群磨粒的磨损过程及磨损机理分析,通过实验分别对气压砂轮自转速度ω、气压砂轮下压量d以及磨粒种类等与气压砂轮磨粒磨损之间的关系进行了研究和评价,并对不同种类磨粒的磨损表面进行了观测。研究结果表明:软固结磨粒磨损可以分为初期磨损阶段、正常磨损阶段和严重磨损阶段;磨粒的磨损随着气压砂轮自转速度ω和下压量d的增大而变得严重,但是当气压砂轮自转速度ω增加到某一定的值时,磨粒的磨损反而会下降。     

激光强化模具过渡区的气压砂轮压力控制光整试验

为了实现局部激光熔覆强化自由曲面模具的软固结气压砂轮均匀光整加工,以激光熔覆PHNi25WC-60A粉末的自由曲面模具为对象,通过激光熔覆强化试验与硬度测试得到了不同硬度梯度变化曲线,根据激光熔覆强化区模具的气压砂轮光整加工试验结果,且由数值拟合方法得到材料去除率与表面硬度之间的关系与解析表达式,通过软固结磨粒气压砂轮接触压力控制方法的光整加工试验,较好实现了局域强化硬度过渡区柔性气压砂轮光整加工材料均匀化去除,说明了接触力控制方法在针对局部激光熔覆强化自由曲面模具的气压砂轮光整中的可行性和必要性。     

快速点磨削侧边接触层模型及CBN砂轮磨损特性

根据点磨削原理和技术特征,讨论薄层CBN砂轮侧边实际接触区在材料去除过程中的作用,建立快速点磨削侧边接触区几何模型,对侧边接触区工件等效直径、几何与动态接触弧长、单颗磨粒切削深度、平均切屑断面积等接触层参数进行数学建模与解析。结合快速点磨削加工试验研究结果,分析侧边接触层参数对快速点磨削过程的影响机理及薄层CBN点磨削砂轮的磨损特征及规律。结果表明,点磨削过程中材料的去除主要是在侧边接触区内完成,薄层CBN点磨削砂轮的最大磨损速率发生在砂轮侧边最大直径处。     

基于弹性赫兹接触的钢轨砂带打磨材料去除建模研究

为揭示钢轨砂带打磨材料去除机理,针对接触轮-钢轨曲面接触和砂带表面磨粒尺寸、位置随机特点,基于弹性赫兹接触理论,分析接触轮-钢轨宏观接触区域状态,获得接触面积和名义接触压力分布;结合砂带表面磨粒出刃高度分布统计学模型与单颗磨粒微观受力分析,获得单位面积打磨压力与磨粒最大切入深度关系;综合考虑磨粒出刃高度、磨粒外形、磨粒密度、砂带旋转速度、行车作业速度、打磨压力、接触轮硬度以及接触轮与钢轨之间的相对主曲率等多项参数,最终建立钢轨砂带打磨材料去除深度数学模型和材料去除量数学模型。试验结果表明,材料去除深度与材料去除量预测值同试验结果的最大偏差分别为3.6%和11.95%,验证了上述模型的正确性和有效性。     

电镀金刚石砂轮高效精密修整及熔融石英磨削试验研究

大尺寸光学玻璃元件主要采用细磨粒金刚石砂轮进行精密/超精密磨削加工,但存在砂轮修整频繁、工件表面面形精度难以保证、加工效率低等缺点。采用大磨粒金刚石砂轮进行加工则具有磨削比大、工件面形精度高等优点,然而高效精密的修整是其实现精密磨削的关键技术。采用Cr12钢对电镀金刚石砂轮(磨粒粒径151 μm)进行粗修整,借助修整区域聚集的热量加快金刚石的磨损,可使砂轮的回转误差快速降至10 μm以内。结合在线电解修锐技术,采用杯形金刚石修整滚轮对粗修整后的电镀砂轮进行精修整,砂轮的回转误差可达6 μm以内,轴向梯度误差由6 μm降至2.5 μm。通过对修整前后的金刚石砂轮表面磨损形貌成像及其拉曼光谱曲线分析了修整的机理。对应于不同的砂轮修整阶段进行熔融石英光学玻璃磨削试验,结果表明,砂轮回转误差较大时,工件材料表面以脆性断裂去除为主;随着砂轮回转误差和轴向梯度误差的减小,工件表面材料以塑性去除为主,磨削表面粗糙度为Ra19.6 nm,亚表层损伤深度低至2 μm。可见,经过精密修整的大磨粒电镀金刚石砂轮可以实现对光学玻璃的精密磨削。     

砂轮约束磨粒喷射加工表面材料去除机理

基于磨粒特征尺寸与砂轮、工件间液膜厚度比值的变化研究了磨粒喷射光整加工的材料去除机理,建立了两体研磨及三体冲蚀单颗磨粒的材料去除模型和材料去除率模型。试验在MB1332A外圆磨床上完成,加工试样为Sa=06μm左右的45钢。加工表面形貌和微观几何参数分别用SEM和MICROMESVRE2表面轮廓仪测量,试验结果和材料去除模型相吻合。试样表面连续的方向一致的沟槽被随机不连续的微坑所代替,随着加工循环的增加,Sa值由06μm下降到02μm左右。此外,光整加工可以获得各向同性网纹交错的表面,表面轮廓的支撑长度率提高,对工件的耐磨性有利。      

工件旋转法磨削硅片的磨粒切削深度模型

半导体器件制造中,工件旋转法磨削是大尺寸硅片正面平坦化加工和背面薄化加工最广泛应用的加工方法。磨粒切削深度是反映磨削条件综合作用的磨削参量,其大小直接影响磨削工件的表面/亚表面质量,研究工件旋转法磨削的磨粒切削深度模型对于实现硅片高效率高质量磨削加工具有重要的指导意义。通过分析工件旋转法磨削过程中砂轮、磨粒和硅片之间的相对运动,建立磨粒切削深度模型,得到磨粒切削深度与砂轮直径和齿宽、加工参数以及工件表面作用位置间的数学关系。根据推导的磨粒切削深度公式,进一步研究工件旋转法磨削硅片时产生的亚表面损伤沿工件半径方向的变化趋势以及加工条件对磨削硅片亚表面损伤的影响规律,并进行试验验证。结果表明,工件旋转法磨削硅片的亚表面损伤深度沿硅片半径方向从边缘到中心逐渐减小,随着砂轮磨粒粒径、砂轮进给速度、工件转速的增大和砂轮转速的减小,加工硅片的亚表面损伤也随之变大,试验结果与模型分析结果一致。     

软固结磨粒气压砂轮的力学分析

建立了一种应用于高硬度、高耐磨性自由曲面光整的新型软固结磨粒气压砂轮模型。首先,根据材料特性确定了该模型的三种材料,并计算了两相模型的弹性模量,研究了强度极限;其次,对各层应力分布进行仿真分析,研究各层厚度对应力的影响;最后,将制作出的软固结磨粒气压砂轮用于抛光实验,得到一系列加工结果。仿真结果表明:双弹性体厚度值与应力值成反比,磨粒层厚度值与应力值成正比;对模型进行优化,磨粒层受力明显增大,即抛光作用力显著增大,力传递效果较好,且最佳黏结层厚度为0.5mm。实验结果表明:黏结层厚度为0.5mm时,加工效果最佳。     

时变去除函数在气压砂轮抛光中的应用研究

针对气压砂轮抛光中通过驻留时间控制材料去除量需在模具表面多去除一层材料及抛光效率低等问题,提出了一种基于时变去除函数的抛光材料去除量控制方法。该方法以抛光工具所能达到的最大进给速度在模具表面进行抛光加工,无需多去除材料,通过实时改变抛光工具的去除能力以适应面形误差的变化,极大地缩短了抛光时间;开展了抛光材料去除过程研究,建立了气压砂轮抛光工具进给速度与面形数据和抛光去除函数之间的关系,提出了抛光过程时间的计算方法;针对时变去除能力超出抛光工具最大去除能力的问题,提出了在气压砂轮抛光中对需去除的材料进行分层抛光的思想。最后,通过抛光过程时间对材料去除量控制的两种方法进行了对比分析。研究结果表明,在气压砂轮抛光中采用时变去除函数来控制材料去除量能极大地提高抛光效率。     

超高速点磨削相关机理研究

结合超高速磨削技术和点磨削工艺,给出对点磨削及其相关技术的理解.建立砂轮磨损和承载等模型,研究发现,与传统外圆磨削相比,点磨削砂轮承载更均匀,寿命更长,磨削性能更佳.由点磨削参数条件下的单颗磨粒成屑试验发现,磨粒的实际切深要比理论切深小,并由单颗磨粒成屑机理给出合理解释.由砂轮连续成屑机理和砂轮相对工件运动轨迹的分析发现,工件轴向进给速度应低于保证良好磨削表面的最小旋切圈数的临界值.点磨削是一种优质的旋切工艺,能够实现较大切深的磨削加工,兼具高材料去除率和高表面质量的优点.由于主轴偏摆,砂轮和工件接触无闭合磨削区,经湿磨试验发现,点磨削接触区内有更大流量的磨削液通过.     

硬质合金立铣刀螺旋槽磨削表面粗糙度模型研究

基于立铣刀螺旋槽的加工原理,根据安装参数确定砂轮磨削螺旋槽的磨削接触区;分析螺旋槽磨削接触区内砂轮与工件的等效直径和有效速度,发现立铣刀螺旋槽磨削既有外圆磨削的特点也有内圆磨削的特征。考虑硬质合金工件材料塑性隆起和砂轮速度与工件速度之间夹角对表面粗糙度的影响,建立立铣刀螺旋槽磨削表面粗糙度计算模型,分析砂轮直径、砂轮速度和工件进给速度对磨削表面粗糙度的影响。在五轴联动数控工具磨床上使用金刚石平行砂轮进行螺旋槽磨削试验。使用超景深显微镜对立铣刀螺旋槽磨削表面形貌进行分析,使用白光干涉仪测量螺旋槽磨削表面粗糙度大小。试验结果验证了硬质合金立铣刀螺旋槽磨削表面粗糙度计算模型的正确性。该模型为其他整体式刀具螺旋槽磨削表面粗糙度的计算提供了理论参考。     

旋转式超声波加工机理的有限元分析

利用有限元软件LS-DYNA建立了单颗磨粒旋转冲击玻璃工件的模型,计算模拟出工件受冲击的材料去除过程,分析了材料去除机理。模拟结果表明:冲击瞬间,裂纹交汇,接触区材料大片剥落;冲击过程中,工件表面裂纹开叉扩展,内部裂纹发展成亚表面层裂,磨粒持续压溃材料;切削力小,随着切削深度的增加,切削力变大。利用有限元软件LSDYNA对金刚石磨粒冲击玻璃材料的过程进行数值模拟,计算冲击过程的形变和切削力,研究工件表面和内部裂纹的产生与扩展过程,分析材料去除机理。     

基于DEM的软固结气压砂轮粘磨层劲度模量虚拟实验研究

为解决软固结气压砂轮不同成分组成的粘磨层(粘结剂与磨粒混合层)性能参数需经实验一一测量获得的问题,将离散元方法(DEM)应用于软固结气压砂轮光整加工领域中,采用离散元软件PFC2D建立了粘磨层模型,以圆形颗粒模拟磨粒和粘结剂,从微观角度开展了对粘磨层的力学性能的分析,提出了对粘磨层模型进行数值模拟双轴实验测量其劲度模量的方法,建立了磨粒粒度和粘磨层劲度模量之间的关系,根据测量结果与实验结果的相近程度对其可行性进行了评价,进行了粘磨层直接拉伸实验。实验及研究结果表明,仿真结果与实验结果误差在10%以内,验证了离散元方法(DEM)在该领域应用的可行性,同时该结果为利用离散元软件PFC3D软件进一步模拟软固结气压砂轮光整加工过程奠定了基础。