点磨削工件微观形貌仿真与试验研究

点磨削属于外圆磨削技术的一种,其砂轮与工件轴线之间存在变量夹角α,加工过程中磨粒的运动轨迹发生改变。为探索α对工件表面粗糙度的影响,利用砂轮与工件之间的运动关系及坐标转化,将磨粒运动函数等效为抛物线,得出点磨削的切削路径。基于砂轮表面磨粒分布状态,沿砂轮轴向扩展有效干涉痕迹,得到工件的三维几何仿真形貌。将45钢淬火后作为工件材料,选择典型磨削参数,利用试验对模型进行验证。结果表明:仿真与实际工件微观形貌呈现相似特征,两形貌表面高度概率密度分布十分吻合,在不同磨削速度下,两结果之间平均相差7.8%。当α在0°～4°变化时,Ra的浮动范围小于0.1μm,工件表面粗糙度不会发生明显改变,几何仿真模型为实际磨削工件形貌分析提供了一种辅助和验证方法。     

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。     

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。     

磨粒叶序排布砂轮磨削筋条表面力的表面效应

为了探索筋条表面磨削过程中,磨粒叶序有序化砂轮的磨削力对工件表面几何形貌的影响规律,首先,根据筋条减阻表面的特征参数,设计能够实现筋条减阻表面加工的磨粒叶序排布砂轮;其次,建立筋条减阻表面磨削过程的简化模型,对工件表面形貌进行力学仿真;最后,研究磨削速度、磨削深度、磨粒角度、排布参数等对筋条表面几何形状的影响规律。结果表明,磨削速度增大时,工件表面材料的隆起变形高度随磨削力的减小而增大;磨削深度增大时,材料的隆起变形高度随磨削力的增大而减小;磨粒角度增大时,材料隆起变形高度随磨削力的增大,先增大后减小;而在叶序系数增大过程中,材料隆起变形高度随磨削力的增大而增大。     

柱面微透镜阵列的精密磨削

柱面微透镜阵列的加工精度要求高,加工效率低,采用具有微细轮廓结构的成形砂轮进行磨削加工能够极大地提高加工效率。为了预测成形砂轮磨削工件的面形误差和表面粗糙度,建立了成形砂轮磨削仿真模型。通过滤波方法分析和模拟微细结构成形砂轮的磨粒突出高度的偏态分布特征,结合实测的砂轮的轮廓形状和跳动完成了整体的空间砂轮的重构,同时建立了砂轮表面磨粒的磨削运动学模型,模拟出工件磨削加工后的表面形貌。最后,开展磨削实验验证了仿真模型的有效性。对比仿真与实验结果可知,面形误差PV值的偏差为5.78%,Ra值的偏差为17.3%,Rz值的偏差为12.9%。该磨削仿真模型能有效预测磨削表面的面形误差和表面粗糙度。     

超声振动螺线磨削表面微观形貌建模与仿真研究

为了实现高效率、高质量、低损伤的硬脆材料加工,对工件或砂轮同时施加砂轮轴向和径向的超声振动,该方法的显著特点是磨粒切削轨迹呈三维空间螺旋线型,将其定义为超声振动螺线磨削方法。在磨削工艺和二维超声振动的多参数共同作用下,材料去除机理产生复杂变化,表面微观形貌创出过程变得极其复杂。为此,提出一种超声振动螺线磨削加工表面数值仿真方法。基于超声振动螺线磨削几何映射关系,建立磨粒相对工件的空间螺旋线切削运动模型,进而给出超声振动螺线磨削加工表面生成模型,模拟出普通磨削和超声振动磨削的三维表面微观形貌,对比分析了超声振动对表面形成过程的影响规律。最后将仿真表面与磨削试验表面对比,发现两者微观形貌特征规律基本一致,验证了仿真方法的正确性和有效性。     

外圆磨削砂轮形貌仿真与工件表面粗糙度预测

对磨削砂轮形貌、外圆磨削过程及工件表面形貌进行了仿真,实现了对工件表面粗糙度的预测,并对仿真模型进行了验证。采用Johnson变换和Gabor小波变换,实现了高斯域和非高斯域的转化,在随机域内对磨削砂轮形貌进行了仿真。根据外圆磨削运动过程,通过对砂轮和工件相互作用过程的分析,建立了磨粒运动轨迹方程和工件形貌方程,在考虑磨粒切削、耕犁与摩擦作用的条件下,对外圆磨削过程进行了仿真。建立了外圆磨削模型,实现了对加工工件形貌的仿真和粗糙度预测。     

氧化锆陶瓷磨削表面质量仿真与实验研究

研究高速磨削条件下砂轮线速度、切削深度等工艺参数对氧化锆陶瓷工件加工表面质量的影响。通过对单颗磨粒切削氧化锆陶瓷试件过程进行仿真,确定磨粒切削深度与切削速度对磨削力和磨削表面形貌的影响。同时,采用金刚石砂轮对氧化锆陶瓷进行平面磨削实验,获取磨削力和表面形貌等实验数据,对仿真结果进行实验验证。随着切削深度从2μm增大到8μm,单颗磨粒磨削力呈单调递增的趋势,工件表面质量逐渐恶化;当切削深度保持在2μm时,砂轮线速度对工件表面形貌影响不大;当切削深度加大到4μm以上时,提高砂轮线速度可以有效减轻磨削表面的破碎损伤。     

单颗金刚石磨粒磨削SiCp/Al复合材料的仿真研究

利用有限元分析软件Abaqus对单颗金刚石磨粒磨削SiCp/Al复合材料的加工过程进行了模拟仿真,分析了磨削速度和磨削深度对磨削力的影响,研究了工件被磨削后的表面形貌、残余应力分布情况,为优化金刚石砂轮磨削SiCp/Al复合材料的工艺参数提供参考.     

磨粒排布对加压内冷却砂轮磨削性能的影响

考虑磨粒排布方式对砂轮磨削效率和性能有重要影响,设计制备磨粒无序和有序排布的加压内冷却砂轮,利用砂轮表面形貌检测和图像识别技术,建立砂轮磨削GH4169高温合金的三维有限元模型。采用不同磨粒排布的砂轮开展磨削GH4169高温合金的实验研究,对比分析磨削力、磨削温度、加工表面粗糙度以及表面微观形貌,研究磨粒无序和有序两种排布方式对砂轮磨削性能的影响。结果表明:对于加压内冷却砂轮而言,相对磨粒无序排布,磨粒有序排布方式能获得更优良的加工表面质量,磨削力、磨削温度和表面粗糙度均降低,且工件表面形貌更加规则完整。     

HIPSN陶瓷磨削力试验研究与仿真

为探索金刚石砂轮磨削HIPSN(热等静压氮化硅)陶瓷时,磨削工艺参数对法向、切向磨削力的影响情况。设计正交试验重点研究磨削深度、砂轮线速度、工件进给速度等磨削工艺参数对法向、切向磨削力的影响规律,同时基于ABAQUS建立单颗金刚石磨粒切削HIPSN陶瓷有限元仿真模型,将试验结果与仿真结果进行对比。结果表明,提高砂轮线速度、减小磨削深度、降低工件进给速度,法向、切向磨削力均减小。磨削力比在(8～15)之间。试验结果与仿真输出结果基本一致,验证了该仿真模型的正确性。     

磨粒叶序排布端面砂轮磨削纹理表面研究

为了磨削出结构化网纹表面,设计磨粒叶序排布端面砂轮并建立起磨粒运动学方程,通过计算机仿真获得磨削纹理的表面形貌,探讨叶序砂轮磨粒排布参数、磨削参数等对表面纹理形貌的影响规律。结果表明,砂轮相对工件的位置会影响表面形貌,砂轮两侧磨削生成的表面网纹相对均匀,增大砂轮转速,减小砂轮叶序系数可以使网纹的平台表面更加均匀。     

运用LS-DYNA的轴向缓进给磨削工程陶瓷的有限元仿真

介绍了轴向缓进给磨削加工原理,建立了单颗金刚石磨粒磨削工程陶瓷的仿真模型,并就磨削力在X、Y、Z向上的分力对仿真结果的影响进行分析。最后通过对不同磨削条件下的单颗金刚石磨粒的磨削过程进行仿真,研究了砂轮转速、砂轮轴向进给速度、工件转速,以及磨粒锥角对磨削力的影响。     

基于数理统计模型CBN砂轮磨削力的仿真与试验

基于砂轮表面磨粒数理统计方法,建立了单颗磨粒模型,运用DEFORM-3D有限元软件进行了GCr15轴承钢磨削仿真。通过仿真分析表明:切向磨削力和法向磨削力随砂轮线速度的增大而减小,随磨削深度的增大而增大,法向磨削力与切向磨削力之比约为5-10。进行了GCr15轴承钢高速磨削试验,通过仿真与试验数据对比,分析了单颗磨粒磨削力与砂轮总磨削力之间的耦合关系,验证了单颗磨粒有限元仿真的准确性,也说明了砂轮表面磨粒数理统计方法的可靠性,为加工前磨削力的预测提供了理论依据。     

单颗磨粒磨削机理与数据融合驱动的磨削过程建模分析

实现磨削过程的精准预测对于实现我国节能减排的目标具有重要意义。针对现有磨削能耗研究无法准确表征出磨削能量流动情况和未考虑能耗动态变化数据等问题,提出一种基于单颗磨粒磨削机理与数据融合驱动的磨削过程建模分析方法。建立了考虑磨粒的尺寸、位置、角度、出刃高度的砂轮表面形貌模型,推导了磨粒与工件材料接触分析情况的数学表述模型,探讨了基于不同磨粒形状的磨削力与能耗模型的建立方法;在此基础上,建立了零件磨削机理与数据分析相融合的动态自学习能耗预测模型。实验结果表明融合模型的相对误差平均值为3.630 7%,不仅可以揭示磨削过程能量的生成和演变机制,更能够实现对磨削结果的精准预测。     

切点跟踪磨削法磨削力计算模型分析

在切点跟踪磨削过程中,结合磨削切点在工件和砂轮表面的运动方程,通过对砂轮与工件之间弹性变形的分析得到其接触弧长,同时通过对单颗磨粒的受力分析得到了砂轮与工件之间的磨削力的计算模型,并通过磨削实验对磨削力计算模型的可靠性进行了验证。MATLAB计算结果表明,切点跟踪磨削中磨削力角的变化呈现出周期性,随磨削深度的变化呈现出非线性。不同磨削深度下的磨削实验验证了切点跟踪磨削法磨削力计算模型的可靠性和正确性。     

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。     

TC4钛合金平面磨削力分析与验证

磨削力对磨削温度、砂轮磨损等有重要影响,是评判TC4钛合金磨削性能的关键指标。由于砂轮磨粒大小、形状差异以及分布的随机性,磨削过程难以定量表述,已有磨削力模型的推导大部分基于一定的假设,与实际存在偏差。通过磨屑变形力与磨粒横截面积的关系以及法向压力与压入深度的关系建立了单颗磨粒磨削力模型;基于磨屑的横截面积与工件体积去除率,建立单颗磨粒磨削力与单位宽度磨削力的联系,进一步推导出TC4钛合金的平面磨削单位宽度磨削力模型。结合实验数据,得到试验条件下的磨削力解析式。分析表明：法向磨削力的平均相对误差为4.9%,切向磨削力的平均相对误差为5.1%。     

单颗磨粒超声ELID复合磨削试验研究

基于超声ELID复合磨削的运动特性建立简单的超声ELID复合磨削模型,并对砂轮表面的磨粒在内圆磨削过程中的运动特性进行了系统分析。根据磨粒的运动特点建立了单颗磨粒运动轨迹的数学表达式,并应用MATLAB软件建立了单颗磨粒运动轨迹模型,重点分析了单颗磨粒运动轨迹在内圆磨削过程中对工件材料去除率及工件表面质量的影响。采用对比试验加以分析,对Zr O2陶瓷分别进行了超声ELID复合磨削和普通ELID磨削,试验结果表明超声ELID复合磨削较普通ELID磨削具有更高的加工效率和良好的表面质量。     

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。