三维超声辅助磨削的表面质量研究

针对三维超声辅助磨削加工方法的研究,建立砂轮磨粒切削运动模型,推导单颗磨粒切削轨迹方程,通过仿真分析二维和三维超声辅助磨削单颗磨粒切削轨迹,初步得出三维超声辅助磨削有望得到更优的表面质量。通过三维超声辅助磨削加工试验并观测陶瓷试件的表面粗糙度和微观形貌,证明三维超声辅助磨削的陶瓷表面粗糙度值相对较小,表面轮廓相对平整,三维超声辅助磨削能得到比二维超声辅助磨削更优的表面质量。     

考虑耕犁的超声磨削表面微观形貌建模与预测

超声磨削加工在难加工材料领域得到广泛应用,超声辅助磨削过程中,超声振动参数对磨削后的表面微观形貌具有重要影响,因此,为了在加工前对超声加工后的表面微观形貌进行预测,以优化加工参数。提出一种考虑耕犁的超声磨削表面微观形貌建模与预测方法。假设磨粒为球形,磨粒直径与间距服从高斯分布,给出砂轮形貌的数值生成方法;根据超声磨削运动学,建立考虑磨粒实时切削深度与耕犁影响的三维运动轨迹方程;在此基础上,提出超声磨削表面微观形貌生成的区域逼近求解算法,进而给出超声磨削表面微观形貌生成模型,模拟出超声磨削的三维表面微观形貌。通过试验分别从表面微观形貌的轨迹纹理、表面粗糙度数值两个方面对超声磨削表面微观形貌的模型的正确性进行了验证。     

基于灰色关联分析方法和熵权法的纵扭超声振动螺旋磨削制孔工艺参数优化

为优化纵扭超声振动辅助螺旋磨削制孔工艺参数和提高加工性能,以氧化锆陶瓷为研究对象,选取螺距、螺旋进给速度、主轴转速和超声振幅为工艺参数,设计了四因素三水平正交试验,并测量其磨削力、孔壁表面粗糙度和孔底表面粗糙度;借助灰色关联分析方法和熵权法得到最优工艺参数为螺距3.5μm,螺旋进给速度875mm/min,主轴转速20000r/min,超声振幅6μm;螺距、超声振幅、主轴转速、螺旋进给速度对灰色关联度的影响程度依次降低。建立了灰色关联度、目标参数与工艺参数的经验预测模型,得到最优工艺参数为螺距3.0μm,螺旋进给速度875mm/min,主轴转速22000r/min,超声振幅6μm;孔壁和孔底的表面粗糙度分别为0.12789μm和0.38137μm,磨削力为9.482N,且关联度略优于正交试验最大关联度。     

超声辅助磨削碳化硅陶瓷的工具磨损试验研究

为探究超声辅助磨削过程中不同工具的磨损特征,采用电镀和钎焊两种金刚石磨头对碳化硅陶瓷进行了超声辅助磨削和普通磨削对比试验,研究了超声振动作用、工具类型对磨粒磨损形式及其变化过程的影响,在此基础上分析了磨粒磨损形式对工件表面质量的影响.试验结果表明:对于电镀磨头,普通磨削和超声辅助磨削过程中的磨粒磨损形式均以磨耗磨损和宏观破碎为主,超声振动作用可有效改善加工表面质量;而对于钎焊磨头,普通磨削的磨粒磨损形式主要是磨耗磨损和宏观破碎,超声辅助磨削的磨粒磨损形式主要是磨耗磨损和微破碎,初始阶段超声振动作用可改善表面质量,但随着磨削行程的增加,微破碎形式的占比增高,超声辅助磨削时的工件表面粗糙度值高于普通磨削时的工件表面粗糙度值.     

Si_3N_4陶瓷超声振动铣磨加工表面粗糙度的数学模型

为了探索Si_3N_4陶瓷超声振动铣磨加工中影响加工面表面粗糙度的因素及影响规律,分析了超声振动铣磨头磨粒的运动轨迹,在此基础上建立了加工面表面粗糙度的数学模型;采用该模型对Si_3N_4陶瓷超声振动铣磨加工面表面粗糙度进行了预测,并对预测结果进行了试验验证。结果表明:主轴转速、进给速度、磨削深度和超声振幅对Si_3N_4陶瓷加工面表面粗糙度的影响程度由大到小依次减弱;表面粗糙度随主轴转速的增加迅速下降,随磨削深度和进给速度的增加而增大,随振幅的增加呈下降趋势;当Si_3N_4陶瓷主要以塑性方式去除时,其加工面表面粗糙度的试验结果和预测结果具有较好的一致性。     

旋转超声磨削加工建模与仿真研究

旋转超声磨削加工结合超声加工和磨削加工的技术优势，在难加工零件的精密制造中具有较大应用潜力。根据旋转超声磨削加工机理，建立旋转超声磨削加工中材料去除体积和加工表面粗糙度的数值计算模型。基于MATLAB软件编写旋转超声磨削加工仿真程序，对材料去除体积、加工表面形貌和表面粗糙度进行仿真模拟，并探究不同加工参数对表面粗糙度和材料去除体积的影响规律。仿真结果表明：主轴转速与超声振动频率之比(n/f)对加工表面形貌和去除体积有决定性影响，n/f比值增大能够有效降低表面粗糙度和提升材料去除体积；详细探讨了磨粒直径、振幅等参数对旋转超声磨削加工表面形貌和去除体积的影响规律，并仿真模拟了参数优化前后的加工表面形貌。     

基于动态轮廓采样法的轴向超声振动辅助磨削工件表面形貌预测与试验验证

提出了一种基于动态轮廓采样法的轴向超声振动辅助磨削的工件表面形貌预测方法。假设磨粒直径服从正态分布,磨粒位置服从随机分布,生成砂轮表面形貌的模型,从运动学角度建立了轴向超声振动辅助磨削过程中任意磨粒的轨迹方程,针对磨粒运动轨迹的特点,提出了动态轮廓采样方法。通过建立磨削沟槽变宽模型,引入了磨削弹性变形模型和塑性堆积模型,对动态轮廓采样方法进行了修正,最终得出工件表面形貌的预测结果。对预测结果进行了试验验证,对比分析了工件表面形貌的预测结果和实测结果,两者特征相似,且比较工件表面粗糙度的预测值和实测值平均误差为5.3%,从而验证了该预测方法的准确性。     

轴向超声辅助单颗CBN磨粒切削运动分析及切削力试验研究

为了研究CBN磨粒砂轮在轴向超声振动条件下的磨削特性,通过轴向超声振动辅助条件下单颗CBN磨粒切削试件的试验,以磨削力为研究对象,研究了轴向超声振动辅助条件下单颗CBN磨粒切削力,从微观角度进行磨粒的运动分析。研究表明:轴向超声辅助条件下的切削力,无论是单颗磨粒所受的法向力F_n还是切向力F_t的值均小于普通条件下的切削力。轴向超声振动辅助条件下单颗CBN磨粒切削运动轨迹是由刀具围绕工件的旋转运动和刀具的高频振动复合而成,其轨迹整体符合正弦曲线轨迹。通过正交试验得出,在一定条件下,轴向超声辅助下的切削力随磨粒切削速度、磨削深度的增大而增大,普通加工中随磨粒大小的增大而增大,超声加工时随磨粒增大有先增后减的趋势。此次试验研究对后期整个CBN砂轮在超声辅助条件下磨削的研究以及CBN砂轮的制备方面都有一定的意义和价值。     

轴向超声辅助端面磨削金属表面形貌及粗糙度预测

轴向超声辅助端面磨削被广泛应用于难加工材料加工,而磨削后的表面粗糙度对构件摩擦、疲劳等服役性能有重要影响。超声振幅的大小对轴向超声辅助端面磨削金属表面形貌和粗糙度有较大影响,但是现有模型中并未考虑实际加载对振幅的影响,因此提出了一种考虑加载状态下振幅变化的轴向超声辅助端面磨削金属表面形貌及粗糙度预测方法。根据砂轮粒度及尺寸建立了考虑磨粒随机分布的砂轮端面模型,并对轴向超声辅助端面磨削磨粒的三维磨削轨迹进行了数学描述,生成了加工后的表面三维数据矩阵并对表面粗糙数值进行了计算。在此基础上,研究了粗糙度随振幅的变化规律,提出了振幅衰减形貌映射系数这一概念,并给出了其标定方法。通过振幅衰减形貌映射系数近似计算出加载状态下的振幅并代入到所建立的轴向超声辅助端面磨削表面形貌及粗糙度预测模型中,实现了金属表面形貌模拟及粗糙度预测。最后,通过试验对所建模型的正确性进行了验证。     

超声辅助内圆磨削40Cr15Mo2VN轴承套圈的试验研究#br#

针对传统加工方式难以获得轴承套圈较小的表面粗糙度和表面波纹度的问题,采用超声辅助内圆磨削的加工方法来改善轴承套圈的表面质量。基于超声内圆磨削单颗磨粒运动轨迹分析,建立了表面粗糙度的理论模型,通过对轴承套圈进行超声内圆磨削试验,研究了各个加工参数对轴承表面质量的影响。研究结果表明：超声内圆磨削加工方法可明显改善轴承的表面质量;增大超声振幅可减小表面粗糙度而表面波纹度会先减小后增大;随着砂轮转速的增大,表面粗糙度及表面波纹度会先减小后增大;磨削深度和进给速度的增大会使表面粗糙度及表面波纹度增大,但超声内圆磨削可减小它们的增加量。     

超声辅助内圆磨削40Cr15Mo2VN轴承套圈的试验研究

针对传统加工方式难以获得轴承套圈较小的表面粗糙度和表面波纹度的问题,采用超声辅助内圆磨削的加工方法来改善轴承套圈的表面质量。基于超声内圆磨削单颗磨粒运动轨迹分析,建立了表面粗糙度的理论模型,通过对轴承套圈进行超声内圆磨削试验,研究了各个加工参数对轴承表面质量的影响。研究结果表明:超声内圆磨削加工方法可明显改善轴承的表面质量;增大超声振幅可减小表面粗糙度而表面波纹度会先减小后增大;随着砂轮转速的增大,表面粗糙度及表面波纹度会先减小后增大;磨削深度和进给速度的增大会使表面粗糙度及表面波纹度增大,但超声内圆磨削可减小它们的增加量。     

切向超声振动辅助成形磨削齿轮的切削系数建模与试验研究

通过对磨粒-工件的运动特性分析,研究了切向齿轮超声成形磨削过程中分离加工机理,建立了超声振动作用下磨粒-工件的切削系数模型,得到了加工参数(砂轮速度、进给速度、超声频率和超声振幅)对切削系数的影响规律。针对切向齿轮超声成形磨削分离加工的特点,进行了齿轮超声成形磨削和普通磨削加工试验,获得不同加工参数对磨削力、磨削温度、残余应力和表面粗糙度的影响规律,并对磨削后表面的微观组织进行分析。试验结果表明：与普通磨削相比,在超声磨削过程中,磨削力、磨削温度和表面粗糙度在一定程度上得到有效的降低。三者的降低幅度随着砂轮转速、进给速度的增加而减小,磨削力、磨削温度的降低幅度随着超声振幅的增加而增大,而表面粗糙度的降低幅度随着超声振幅的增加呈先增加后减小的趋势;同时,齿面的残余压应力得到提高,其增加幅度随着砂轮转速、进给速度的增加而降低,随着超声振幅的增加而增大。此外,超声磨削可以显著改善齿面的纹理状态和表层的显微组织,并实现晶粒的细化。     

基于超声振动磨削与抛光技术的SiC反射镜加工工艺研究

针对航天用Si C反射镜在加工过程中的低加工效率、表面质量差等难题,在半精磨阶段采用超声振动磨削技术对其进行加工试验以研究其去除机理及存在的缺陷。为进一步解决超声振动磨削Si C反射镜存在的缺陷,在精加工阶段对其进行了抛光试验。通过采用正交试验的方法对影响Si C表面粗糙度的各工艺参数进行抛光试验设计及分析得到抛光压力、抛光盘转速、抛光液磨粒粒度及抛光时间对表面粗糙度的影响规律及其最优参数组合。研究结果表明在抛光压力40 k Pa,抛光盘转速400 r/min,抛光液磨粒粒度0.5μm,抛光时间2 h的最佳工艺参数下可获得表面粗糙度为21nm的加工表面。     

基于单颗磨粒磨削的超声振动参数与磨削参数匹配性研究

超声辅助磨削是一种适于加工陶瓷等硬脆材料的先进复合加工技术。超声辅助磨削过程中,超声振动参数与磨削用量的匹配性决定了超声振动作用对磨削过程的影响程度,目前尚缺乏深入的研究。针对这一问题,采用单颗磨粒工具对SiC陶瓷工件抛光表面进行超声辅助磨削及普通磨削试验,通过单颗磨粒磨削力、力比、磨削划痕形貌的对比,分析超声振动作用对磨削过程的影响随磨削用量变化的规律。结果表明,相同条件下单颗磨粒超声辅助磨削的磨削力与力比均小于普通磨削时;磨削用量较小时,单颗磨粒超声辅助磨削划痕形貌呈明显的锤击作用及断续磨削特征。随磨削用量的增大,超声辅助磨削过程中的锤击作用显著弱化,断续磨削特征趋于消失,两种方法之间的磨削力差异减小,即超声振动参数与磨削用量的匹配性变差。     

旋转超声钻削的切削力数学模型及试验研究

通过分析硬脆材料脆性断裂去除机理和旋转超声加工特点,确定旋转超声加工时单颗磨粒的切削时间、切削深度、切削速度及切削轨迹长度,建立旋转超声恒进给率钻削硬脆材料的切削力数学预测模型。光学玻璃加工试验研究表明,切削力随进给速度的增大而增大,随主轴转速的提高而减小;在高进给速度条件下,切削力对主轴转速的变化更为敏感,在低主轴转速条件下,切削力对进给速度的变化更为敏感;从而很好地验证了已建立的切削力数学预测模型。旋转超声加工和普通加工的对比试验表明,旋转超声钻削加工可以有效降低切削力,一定程度上减小出孔崩边尺寸,从而提高加工效率、降低加工成本。根据旋转超声加工的表面粗糙度值略高于普通加工,提出硬脆材料脆性断裂去除时磨粒实际切削深度决定加工表面粗糙度的判断。     

五轴磨床加工精密球面的磨削形态及运动分析

为了了解五轴磨床中杯形砂轮用于球面工件磨削的特点,通过坐标变换方法,给出了加工球面时杯形砂轮一点的磨削轨迹方程;基于轨迹方程,分析了磨削形态与加工参数之间的关系,导出螺距公式,提出条纹主带概念;最后进行了运动学分析,并依据杯形砂轮平面磨削实验结果,给出了杯形砂轮的理论磨削力变化曲线.分析表明,杯形砂轮加工球面的磨削形态近似对称,但磨削条件是不对称的.     

石英玻璃旋转超声铣削表面质量研究

探索了高频旋转超声铣削石英玻璃的工艺规律与材料去除机理,检测分析了加工表面粗糙度与表面形貌,借助Matlab平台建模仿真了进给速度和主轴转速对磨粒运动轨迹的影响规律,研究了进给速度、主轴转速、切削宽度以及切削深度对加工表面质量的影响规律与机理。进给速度增大会导致刀具上的单颗金刚石磨粒的切削速度增大,参与切削的摆线平面投影运动轨迹变长,使表面粗糙度随进给速度增加先增大后减小;表面粗糙度值随主轴转速的增大总体上呈现出先减小后增大的趋势,主轴转速为3 000 r/min时铣削表面粗糙度最小;表面粗糙度值随切削宽度增大先增大后减小,切削宽度直接决定相邻刀具路径对应加工区域重叠范围,进而产生不同的磨粒划刻加工叠加效果;随切削深度增大,表面粗糙度值呈现出先增大后减小再增大的趋势,铣削过程中超声振动与切削深度配合产生的近成形表面材料去除模式对表面质量具有关键性作用。研究工作可为石英玻璃旋转超声铣削加工提供一定的工艺基础。     

工程陶瓷超声磨削轨迹仿真

进行了工程陶瓷一维、二维超声磨削试验;通过对超声磨削陶瓷工件表面划痕轨迹的计算机模拟仿真,重点分析了安装角与二维超声相位差对单颗磨粒运动轨迹的影响;通过对比超声磨削试验SEM照片,讨论了超声磨削各参数对加工质量的影响。研究结果完善了加工因素对去除率的影响规律。     

基于磨削痕迹仿真的磨削纹理生成机理

针对球面和非球面垂直磨削法加工中出现的磨削纹理，开展了基于磨削痕迹轨迹仿真的磨削纹理生成机理研究，建立了磨削痕迹运动分布方程，仿真分析了磨削痕迹在垂直磨削表面的生成和分布机制，揭示了磨削加工参数变化引起的磨削纹理生成机理。通过仿真结果可以看出，垂直磨削后的工件表面残留磨削痕迹分布为中心区域密集、外缘区域稀疏，并具备周期性、放射分布的特征；砂轮圆周上参与磨削的磨粒残留在工件表面的磨削痕迹长度、形状和分布规律几乎完全相同，磨削痕迹间仅存在一定的相位偏差；砂轮与工件的转速比为整数时，相邻螺旋周期的破碎磨削痕迹首尾相接，使得磨削痕迹交接处发生了破碎的耦合与扩展，加剧了工件表面的破碎，并将破碎的磨削痕迹连接在一起，形成磨削纹理。     

基于偏心式变曲率沟槽的高精度球体加工理论与试验研究

提出基于偏心式变曲率沟槽的高精度球体批量加工方法,加工过程中球体运动状态随磨盘沟槽曲率半径的变化而变化,送料机构将球体从磨盘外沿的出料口依序送至磨盘中心的入料口进行循环加工。基于纯滚动运动假设,建立单颗球体几何运动学模型,通过旋转坐标变换计算并仿真球面加工轨迹。在自主研发的偏心式变曲率沟槽加工系统上进行加工试验,对球体运动的宏观验证试验结果与仿真结果一致,证明了所建的运动学模型的有效性。在加工试验研磨阶段球体的批直径变动量、球度偏差及表面粗糙度偏差均得到明显改善并逐渐收敛,抛光阶段后得到单颗球体最好的球度值为0.114mm,表面粗糙度Ra为9 nm。