工程陶瓷磨削表面裂纹损伤深度模型研究

使用金刚石砂轮磨削是对陶瓷进行加工最常用的方法,但由于磨削抗力大,使被磨陶瓷零件常常会产生裂纹等表面损伤.文章基于压痕断裂力学建立陶瓷磨削表面裂纹损伤深度模型,通过针对氮化硅材料进行单行程磨削实验和表面裂纹损伤深度观测实验,确定了损伤深度模型中的参数,并对模型预测结果和实验结果进行比较,验证了陶瓷磨削表面裂纹损伤深度模型的有效性.陶瓷磨削亚表面裂纹损伤深度正比例于磨削深度和工件台速度,反比例于砂轮转速,其中磨削深度对陶瓷磨削表面裂纹损伤深度的影响最高.运用该模型,根据磨削输入参数可以预测和控制陶瓷的磨削损伤深度,从而可以优化陶瓷磨削过程,提高磨削效率、降低加工成本和降低加工损伤.     

工程陶瓷圆弧成形磨削力预测与实验研究

圆弧成形磨削是难加工零件复杂型面的加工方法,对其磨削力的研究有利于改善工程陶瓷的表面质量。基于圆弧砂轮的结构特点及尺寸趋近思想对陶瓷材料圆弧成形磨削力进行预测。通过研究磨粒对工程陶瓷的去除机制,提出建立单颗磨粒滑擦、塑性及脆性去除磨削力模型。基于砂轮磨粒尺寸与分布差异,利用概率统计方法对磨削中不同去除方式的有效磨粒数进行探讨,进而实现圆弧成形磨削力理论模型的构建。最后通过磨削力实验对理论模型进行验证。结果表明：法向磨削力和切向磨削力理论值与实验值平均误差分别为8.793%和9.986%;磨削力随着磨削深度及进给速度的增加而增加,随着砂轮速度的增加而减小。     

考虑单磨粒作用的砂带磨削机理模型

针对磨削过程中材料的定量去除问题，从微观单磨粒角度出发，综合运用弹塑性变形、赫兹接触以及概率统计等理论及方法，构建砂带磨削的材料去除机理模型。首先，分析磨削过程中单个磨粒在工件不同变形阶段的材料去除机理，并根据试验计算结果对该磨削过程进行简化，给出单磨粒受力计算方法；在此基础上，基于磨粒数目与出刃高度分布函数，运用概率统计理论建立微观磨粒与宏观磨削压力平衡方程，求解磨粒切入深度分布函数；再结合单磨粒材料去除体积，用积分运算构建总体材料去除模型；最后通过机器人磨削平台进行TC4合金曲面磨削试验得到材料最大去除深度。结果表明:材料最大去除深度随磨削压力和砂带线速度增大而增大，随砂带进给速度增大而减小；且理论模型的理论预测值与试验值比较，其最大相对误差为17.66%，平均相对误差为10.55%，验证了模型的有效性。      

机器人恒力磨抛材料去除研究

针对传统机器人-砂带磨抛工件时材料去除量难以定量控制的问题,结合Preston磨削经验公式与赫兹弹性接触理论,将法向磨抛力、砂带速度、工件进给速度3个工艺参数作为变量,建立机器人恒力磨抛的材料去除深度模型;然后进行硬件选型,搭建机器人恒力磨抛实验平台;最后以上述3个工艺参数为变量设计了机器人恒力磨抛单因素实验,实验结果...     

工程陶瓷磨削表面损伤模型的研究

通过选用氮化硅、氧化铝和氧化锆3种陶瓷材料进行单行程磨削实验和表面破碎损伤观测实验建立了表面破碎损伤模型.运用该模型,根据磨削输入参数可以预测和控制陶瓷的磨削损伤,从而可以优化陶瓷磨削过程,提高磨削效率、降低加工成本和降低加工损伤.     

砂带磨削TC4磨削力数字建模及其预测

目的探索TC4砂带磨削的机理,优化表面加工质量。方法基于磨粒有序分布和等高性一致的假设,构建出单位面积磨粒的砂带几何模型,并建立了相应磨削的数值仿真模型,开展了模拟与实测接触轮在磨削过程中的弹性变形分析,建立了与印痕密切相关的砂带磨削力的预测模型,根据TC4的Johnson-Cook本构模型以及Johnson-Cook Sheiar Damage失效准则,模拟磨削区的热力特性。结果切向磨削力随着磨削深度的增加而增加,随砂带线速度的增加而逐渐减小,且切向磨削力随深度的变化趋势大于随砂带线速度的变化趋势。磨削温度随磨削深度和砂带线速度的增加而增加,且磨削温度随砂带线速度的变化趋势大于随深度的变化趋势。预测磨削力与实际实验值的误差在9%以内,通过对实验数据分析得到实验条件下的最优加工参数:砂带线速度5 m/s,进给速度1 m/min,磨削深度5?m。对陶瓷砂带磨削TC4进行了验证实验,预测值与实验值具有一致性。结论该方法建立的砂带磨削仿真模型和预测模型,可以较准确地预测砂带磨削TC4时的磨削力和磨削温度,为提高砂带磨削航发叶片表面质量的加工参数选择提供参考和指导。     

钛合金材料页轮磨抛材料去除深度模型

针对钛合金材料页轮磨抛表面去除量难控制的问题,从页轮磨抛的运动过程出发,结合Preston方程、Hertz接触理论及线接触变形等理论方法,建立页轮磨抛的材料去除深度模型。首先,分析磨削过程中页轮的运动和材料去除过程,并通过Preston方程简化磨抛过程,得到材料去除深度与页轮的线速度、接触压强、进给速度之间的关系;其次,通过Hertz接触理论及线接触变形得到接触压强和预压量的关系式,再将预压量代入接触压强,构建材料去除深度理论模型;最后,采用正交试验法和单因素试验法验证该理论模型的准确性,并通过极差分析法分析各参数对页轮磨抛去除深度的影响程度。结果表明:材料去除深度与预压量和页轮线速度成正比,与页轮进给速度成反比,且各参数对页轮磨抛去除深度的影响程度基本相当。模型预测的材料去除深度与试验结果的平均相对误差为6.25%,说明理论模型可准确预测磨削去除深度。      

基于轴承毛坯表面分析的磨削材料去除率模型与应用实验

目的 在轴承套圈磨削加工中,传统基于动力学模型建立的磨削材料去除率模型仅考虑了磨削工件-砂轮-机床三者的弹性变形,未考虑毛坯零件表面不规则变形对模型的影响,导致传统理论模型在实际磨削应用中的效果不佳。针对此问题,基于轴承套圈毛坯表面形状分析建立了新的磨削材料去除率模型,并进行了应用实验。方法 基于轴承套圈毛坯零件表面形状的工艺研究,针对粗磨阶段毛坯零件表面不规则形状和弹性变形对磨削加工及产品质量的影响,建立不同偏心圆数量的轴承套圈结构分析方法,并提出一种以分段函数形式的磨削材料去除率模型,该模型充分考虑了轴承套圈毛坯零件表面不规则变形和偏心圆形状对磨削材料去除的影响,可有效反映轴承套圈实际材料磨削去除过程。最后,通过大量实验对所建的分段函数形式的磨削材料去除率模型进行应用实验研究。结果 与传统磨削材料去除率模型GPSM相比,所建的以分段函数形式的磨削材料去除率模型MMRG的准确率提高了96%以上,该模型可有效在线量化分析毛坯表面不规则大小及偏心圆结构。结论 该模型对指导毛坯零件制造,保证磨削加工质量和磨削加工效率有着重要的理论指导意义。     

工程陶瓷磨削力的影响因素研究

磨削力是反映磨削过程的重要参数,磨削力与被磨材料的性能和显微结构、磨削用量、砂轮特性以及材料去除机制等有着密切关系。从陶瓷磨削模型和工程陶瓷材料磨削过程中的材料去除机制出发,分析了陶瓷磨削过程,研究了磨削力的形成,分析了磨削力的特点,并从磨削力的影响因素出发,分别研究了陶瓷材料性能、磨削方向、砂轮磨削速度、工件速度、磨削深度和砂轮粒度对磨削力的影响,对陶瓷磨削理论有了进一步的认识。     

GCr15钢平面磨削力仿真分析与实验研究

目的 对不同磨削工艺参数下的平面磨削力进行预测,对磨削机理进行研究,进而控制磨削加工质量。方法 考虑CBN砂轮表面磨粒形状的多样性、姿态的多样性和空间分布的随机性,建立CBN砂轮模型,对GCr15材料模型进行有限元砂轮磨削仿真。同时使用CBN砂轮,采用不同的工件进给速度对GCr15进行单因素平面磨削实验,使用三坐标测力仪测量不同磨削参数下的磨削力。结果 建立的仿真砂轮模型的表面形貌与真实砂轮接近,仿真砂轮上的磨粒出刃高度均服从正态分布,与实际砂轮一致。对比随机多面体磨粒模型和真实CBN磨粒照片,两者形貌相似。磨削力实验和仿真结果表明,工件进给速度由3 m/min增大到18 m/min时,磨削力逐渐增大,仿真所得法向磨削力最大误差远小于切向磨削力。结论 实验结果与仿真结果具有一致性,证明了砂轮磨削有限元仿真模型可用于磨削力预测。因为仿真中无法考虑实际砂轮尺寸和砂轮表面结合剂对磨削的影响,结果具有一定误差,仿真的准确性有待进一步提高。研究结果为使用有限元方法研究磨削机理和控制磨削加工质量提供了思路。     

钨合金的磨削加工去除机理

目的 解决钨合金磨削加工去除机理不明晰的问题。方法 基于单磨粒刻划有限元仿真、单磨粒刻划和磨削加工实验，探究钨合金的磨削加工去除机理。结果 在刻划过程中，划痕的不同位置材料的去除特性存在显著差异。在单颗粒刻划切入端，材料依次发生了塑性变形、隆起、微裂纹，再到钨相与黏结相的混杂交融。在划痕中段以材料去除为主，出现了材料微卷起和材料卷起现象，沿着刻划方向卷起现象越来越严重。在划痕切出端，划痕边缘和尾部均出现了“飞边”现象，且相较于切入端，切出端的形貌较差，实验与仿真吻合。此外，在不同相位处，材料的去除特性也存在一定不同。在钨相区域，同时存在脆性特征和塑性特征。在黏结相区域，刻划深度较浅时主要呈现塑性变形、塑性流动等特征，刻划中端深度较大时主要呈现与钨相的混杂和交融。在钨相与黏结相的相界处，相邻钨颗粒呈现不同的损伤或去除特征，且相界会阻断特征形貌的传递。最后，磨削后的钨合金表面存在单颗粒刻划痕上出现的所有去除特征，与单颗粒划痕的去除特征吻合。不同的是，磨削后划痕底部出现了区域性和放射状的裂纹。结论 钨合金的两相特性使得磨削表面的去除特征较复杂，存在塑性变形、微裂纹、微卷起、卷起、裂纹和两相交...     

纵扭超声辅助磨削氮化硅亚表面损伤及其试验研究

目的 探究纵扭超声辅助磨削工艺参数对氮化硅陶瓷亚表面损伤的影响规律。方法 首先,建立纵扭超声振动下单颗磨粒的切削轨迹及其切削弧长模型,分析纵扭超声辅助磨削独特的加工机理。其次,考虑砂轮表面磨粒的随机分布特性,并基于硬脆材料脆塑转变特性及其临界转角界定,给出纵扭超声辅助磨削单颗磨粒未变形切屑厚度的概率学模型,进而建立纵扭超声辅助磨削过程中单颗磨粒的平均法向磨削力模型。最后,建立纵扭超声辅助磨削氮化硅亚表面损伤深度模型,并进行试验验证。结果 纵扭超声振动的引入增大了纵扭超声辅助磨削过程中单颗磨粒的切削弧长,减小了单颗磨粒平均未变形切屑厚度,降低了单颗磨粒的法向磨削力,最终降低了氮化硅陶瓷亚表面损伤的深度,获得了较好的氮化硅陶瓷表面加工质量。氮化硅亚表面损伤深度随着超声振幅的增大而降低,当超声振幅为6μm时,亚表面损伤深度为5.65μm,相较于普通磨削亚表面损伤深度降低了33.6%。理论模型预测结果与试验结果趋势一致,预测结果与试验结果的最大误差为13.38%,平均误差为8.34%,因此该模型能够为氮化硅实际加工中亚表面损伤深度的预测提供一定参考。结论 纵扭超声辅助磨削能够有效降低氮化硅陶瓷...     

光学材料的磨削损伤控制试验研究

基于K9玻璃不同的磨削工艺参数确定其磨削损伤层深度随工艺参数变化的规律,并通过工件磨削损伤层深度的动态检测研究其裂纹扩展规律。结果表明:工件磨削过程中的裂纹损伤是动态扩展过程。固定工艺参数下,裂纹稳态扩展,损伤层深度不变;采用损伤更小的工艺参数磨削,裂纹的扩展速度小于材料的去除速度,其损伤层深度逐渐减小,损伤的去除速度逐渐减慢直至二者间达到稳态平衡。同时,为了去除前道工序的损伤层,后道工序的材料去除量需达到前道工序损伤层深度的2～3倍。      

磨削硬化深度预测

磨削硬化是利用磨削过程中产生的热、机械复合作用直接对工件进行表面淬火的新工艺。通过建立磨削温度三维分析模型和热金属效应分析,实现磨削硬化加工工件硬度的预测。基于瞬时温度分布和运动非稳定三维热传导微分方程,并考虑砂轮与工件及冷却液与工件交互作用时热传导情况和材料本身的热扩散,建立了磨削温度三维分析预测模型,结合对加工过程奥氏体相位比例的计算及珍珠岩、残余奥氏体和马氏体的转变等热冶金效应分析,得出磨削硬化加工后硬化深度,实现随加工参数变化的硬化深度分布预测。将此模型与有限元模型进行对比,并通过实验进行了验证。     

纳米结构WC/12Co涂层精密磨削的磨削力研究

本文对金刚石砂轮平面磨削纳米结构WC／12Co涂层材料时得到的磨削力进行了试验研究，研究了涂层材料的磨削力与磨削工艺参数以及砂轮特性之间的关系。通过各项试验研究得出，用金刚石砂轮磨削纳米结构WC／12Co涂层时，磨削力与当量磨削厚度基本成一元线性关系，它随磨削深度、工件速度的增加而增加：当磨粒尺寸减小时。总磨削力增加，但单颗磨粒磨削力减小。材料以非弹性变形的材料去除方式为主。通过试验采集的数据，使用当量磨削厚度作为磨削基本参数建立了法向磨削力理论模型。     

典型机床关键零部件切削/磨削比能数据库系统研发

以现有机床加工能耗研究为基础,根据材料去除功率与机床空载功率、加工功率的经验关系式,建立切削/磨削比能的经验计算模型,并通过以切削力/磨削力为基础的切削/磨削比能理论模型及其实验,验证该经验计算模型的可行性和正确性。基于此经验计算模型的切削/磨削比能的测量值和计算值,设计研发典型机床关键零部件切削/磨削比能数据库系统,包括基本架构、基础数据库和切削/磨削比能分析模块,使其系统化和规范化。用户可在软件操作界面迅速地实现所需数据的增、删、改、查等功能。      

外圆磨削参数优化模型及其应用

磨削加工工艺成本很高,磨削用量的选择意义重大。分析磨削用量及其对加工精度和生产率的影响,针对外圆磨削用量的选择,建立了以磨削多工序成本组成的工艺成本最低为目标的磨削参数优化模型。该模型以表面粗糙度、磨削工件刚度、磨床功率、磨床参数、磨削余量作为约束条件,以磨削余量、纵向进给量、横向进给量3个磨削参数为优化变量。以某型号电机轴为应用案例,运用MATLAB语言对其磨削参数进行了优化求解,与根据磨削手册和经验选择的磨削参数进行比较表明:优化后的外圆磨削工艺成本可降低近18%,从而验证了模型的有效性。     

基于热力耦合的单磨粒临界磨削仿真分析

目的通过仿真研究磨削中单磨粒几何特征对切屑根部材料分离的影响,得到脆-塑转变的临界磨削参数值。方法针对Ti6Al4V合金,通过对单磨粒划擦的分析,建立热-力耦合平面仿真模型,研究切屑根部有效流动应力随单磨粒刃圆半径和磨削深度的变化情况。结果在磨粒刃口处,刃圆半径r=0.1μm时,磨削深度h≈0.02μm,出现脆-塑转变的临界现象;在h0.3μm时,可能会实现材料的塑性去除,磨削热效应对其有促进作用。刃圆半径r=1μm时,磨削深度h为0.2~3μm,有效流动应力的最小值为948.479 MPa,此时在磨粒刃口处几乎没有材料塑性流动的现象,磨削热效应不明显。刃圆半径r=10μm时,磨削深度h为2~30μm,有效流动应力的最小值为716.351 MPa,最大值为763.59 MPa,磨粒刃口处切屑以塑性流动方式产生,磨削热对其有一定的促进作用。结论仿真得出使切屑根部材料实现塑性流动的单磨粒刃圆半径、磨削深度阈值范围和脆-塑转变的临界值,同时得到磨削热效应对切屑形成的作用效果。取刃圆半径为0.1μm或者10μm左右的磨粒,适当增大磨削深度,可实现切屑根部材料的塑性流动,降低对磨粒的冲击作用,并提高磨削效率。     

单磨粒对硬脆性材料延性去除的建模分析

目的：硬脆性材料在珩磨时的脆性去除会使得被加工件的表面质量达不到更高的应用要求,同时对磨具磨损严重,通过理论建模研究珩磨过程中单磨粒磨削参数与切屑第一变形区流动应力的关系,并得到实现延性去除的各参数阈值。方法针对304不锈钢,通过对单磨粒划擦的分析,数学推导得出在平面情况下切屑第一变形区流动应力与单磨粒刃圆半径、磨削深度以及半圆锥角的函数关系。结果在完全刃圆磨削和复合磨削阶段都会有实现材料延性去除的现象被发现,并得到完全刃圆磨削时,取刃圆半径r=1μm,在磨削深度h=0.07μm,流动应力取得极大值σ=227.7 MPa。复合磨削时,取半圆锥角θ=30°,r<1.5μm时,r的延性去除阈值为0.3~1μm。当取h=0.6μm,θ和r同样存在实现材料延性去除的阈值,分别为45°~75°和0.5μm左右。结论单磨粒刃圆半径、磨削深度和半圆锥角使材料实现延性去除的阈值范围在理论上被确定,为硬脆性材料的延性去除理论的进一步研究提供参考。同时适当减小磨粒刃圆半径,取45°~75°范围内的磨粒半圆锥角,使磨削深度增大,并实现材料的延性去除,可以提高材料的表面质量和磨削效率。     

新型陶瓷托辊专用磨床磨削颤振稳定性分析

为了避免陶瓷托辊专用磨床在加工过程中产生颤振而降低磨削质量,根据陶瓷托辊磨削加工机制,建立了陶瓷托辊磨削加工过程数学模型,通过MATLAB计算分析得出磨削深度与主轴转速的稳定性叶瓣图,确定了陶瓷托辊磨床在磨削深度低于4 mm时可无颤振稳定磨削。研究结果为陶瓷托辊专用磨床稳定磨削加工提供了参考。