超声振动平面磨削的表面残余应力数值模拟

应用Deform-3D有限元软件进行具有负前角磨削刃的单颗磨粒磨削加工过程仿真,并设计制造了旋转轴向超声振动平面磨削实验装置进行工艺实验,分别得到45钢在不同磨削工况下的磨削表面残余应力仿真值和实验值,通过对比分析,发现两者的相对误差在2.47%~16.93%之间,从而验证了所建磨削表面残余应力有限元模型的正确性。仿真结果表明:普通磨削和超声磨削在工件表面均产生残余压应力,且轴向残余压应力显著大于磨削方向残余压应力;表面残余压应力随着振幅、磨削深度、磨粒负前角和振动频率的增加而增加,随着砂轮线速度的增加而减小。     

氧化铝砂轮地貌的量化评价及数学建模

砂轮地貌特征是指砂轮表面磨粒密度、磨粒切削刃和磨粒出刃高度分布等情况。准确测量和量化评价砂轮地貌不仅有助于加深对磨削机理的认识,而且是磨削过程优化、磨削过程建模与仿真不可缺少的前提条件。采用白光干涉仪对氧化铝砂轮地貌进行了测量;用伯明翰三维表面粗糙度特征参数量化砂轮地貌特征,评价不同粒度号氧化铝砂轮的磨粒密度、磨粒形状和磨粒锋利程度;根据磨粒出刃高度测量结果,利用统计方法建立氧化铝砂轮表面磨粒出刃高度分布的数学模型。结果表明,氧化铝砂轮表面磨刃形状近似为尖端带有圆球半径的圆锥形状,随着砂轮粒度号数的增加,磨刃的圆头半径减小;在同一砂轮修整工艺条件下,磨刃的顶锥角相差不大;氧化铝砂轮表面磨粒出刃高度符合正态分布规律。     

超硬涂层磨削工艺实验研究

针对核主泵关键部件材料镍基碳化钨涂层,采用三种磨粒粒度金刚石砂轮进行平面磨削试验,研究工艺参数、磨粒粒度对涂层材料磨削力、表面粗糙度和表面残余应力的影响规律。实验结果表明:不同粒度砂轮磨削时,随着磨削深度和工件进给速度增加,法向磨削力和切向磨削力均逐渐增大,表面粗糙度值呈现先增大、后减小再增大的趋势,平行和垂直磨削方向的表面残余压应力逐渐增大,且垂直磨削方向应力值更大。综合考虑磨削力、表面粗糙度、磨削表面残余应力和磨削加工效率,600目砂轮具有较好的加工效果,其对应的优化磨削参数为:磨削深度为10μm,工件进给速度为8 m/min。     

预应力砂带磨削钛合金表面完整性的试验研究

为了提高钛合金加工表面的抗疲劳性和抗腐蚀性,基于预应力砂带磨削原理,进行不同预应力条件(0、100 MPa和200 MPa)下的钛合金砂带磨削试验。通过检测、分析不同预应力条件下磨削后工件的表面完整性,获得不同预应力对工件表面残余应力、粗糙度、硬度及表面形貌的影响规律;并在砂带磨粒模型的基础上,揭示预应力砂带磨削对残余应力和表面形貌的作用机理。结果表明:在材料的弹性范围内施加预应力并进行磨削能够主动加强工件表面的残余压应力状态;随着预应力的增加,残余压应力的大小呈现逐渐递增的趋势;预应力砂带磨削对表面硬度的影响甚小,且在一定范围内不随预应力的变化而变化;采用预应力砂带磨削能够得到较好的表面形貌,但会使粗糙度有微量增加。     

微晶刚玉磨粒磨削20CrMnTi钢的数值模拟研究

为了研究微晶砂轮磨削20CrMnTi钢的磨削性能与磨削机理,开展了单颗微晶刚玉磨粒高速磨削模拟试验。研究表明:磨削热使磨削表面产生较高温度,同时使工件表层生成较大变化的温度场梯度,造成表层的残余应力分布变化。此外,还着重阐述了磨削速度、磨削深度两个因素对温度、变质层深度、残余应力等物理量的影响机制。随着磨削速度和磨削深度的不断增大,磨削温度会增大;表面残余压应力却将逐渐减小,甚至可能转变为残余拉应力。随着磨削速度的增大,变质层深度先增大后减小。随着磨削深度增大,变质层深度增大。     

陶瓷材料磨削表面残余应力的产生机理

在磨削加工过程中产生表面残余应力,其产生机理是磨粒刃作用引起的挤压应力和切削应力及热应力的综合作用效应。挤压应力产生残余压应力;切削引起的残余应力存在拉、压应力两种可能,但比挤压应力要小得多;热应力产生残余拉应力。     

轴承钢球研磨力学建模及分析

将钢球与研磨盘之间的研磨简化为三点接触,分析同轴二研磨盘情况下,钢球与研磨盘在接触点处的相对转动。分析单颗圆锥形磨粒在磨削钢球表面时的受力,得出与切削刃切向力﹑法向力相关的因素;考虑到钢球与研磨盘之间实为弹性接触,利用弹性接触的圆域确定有效磨削切屑刃数,建立起磨削力与磨削深度之间的数学模型;最后以工程上传统应用的情形为例给出了磨削曲线,说明不同的钢球半径和公转半径对磨削深度所带来的差异,为提高钢球的研磨精度提供依据。     

基于LS-DYNA的单颗磨粒超高速磨削成屑动态研究

磨削过程是由砂轮表面成千上万个形状各异的磨粒共同参与的切削过程。考虑到材料的本构关系、切屑与工件的分离准则及切屑与磨粒间的接触和摩擦,利用非线性显式动力学分析软件LS-DYNA对单颗磨粒切削过程进行了数值仿真模拟,得到了工件内部应力的变化规律。结果表明:成屑过程是材料受到切削刃挤压产生剪切滑移的过程;在切削初始,切削力急剧增大,当切削达到稳定状态时,材料的最大等效应力在某一值附近波动;当切削速度增大时,材料的最大等效应力将增大。运用此方法可以直观地观察切削过程的变化,进而可对磨削工艺参数进行优化。     

颗粒增强铝基复合材料磨削加工表面质量与磨削力研究

使用电镀金刚石砂轮对颗粒增强铝基复合材料磨削加工的表面质量与磨削力进行研究.研究表明,已加工表面的结构较复杂,存在材料剥落形成的凹坑和金刚石磨粒切削留下的沟痕,增强颗粒存在破碎、脱落被压人加工表面情况.在实验条件下加工表面粗糙度Ra 0.23～0.858μm,加工表面残余应力为压应力,且在相同的加工条件下其数值有较大变化.磨削加工的法向磨削力大于切向磨削力,且磨削力随主轴转速增大而减小,随进给速度和磨削深度的增大而增大.     

纳米ZrO2陶瓷超声振动磨削表面残余应力试验研究

采用超声振动磨削和普通磨削方式,利用X射线衍射分析仪,对纳米氧化锆陶瓷表面残余应力进行了研究.实验结果表明,纳米氧化锆陶瓷磨削表面产生的残余应力都表现为压应力;随着磨削深度的增加,超声振动磨削表面残余应力减小趋势较缓;磨削表面残余应力随着磨粒的增大呈上升趋势,且普通磨削表面残余应力上升的趋势较超声振动磨削的要快.     

磨削参数对硫化氢应力腐蚀试样表面质量的影响分析与优化

首先从理论上分析了影响硫化氢应力腐蚀试样表面质量的各种磨削参数,然后针对这些磨削参数设计出正交试验,进行研究和分析各参数的影响。试验结果表明,磨削过程中,磨削深度对试样表面残余应力影响最大,砂轮颗粒度对试样的表面粗糙度影响最大。试验结果证明,在砂轮线速度vs=30m/s的情况下,使用砂轮颗粒度为180#的砂轮,在工件转速vw=460r/min、轴向进给速度f=0.25mm/s、磨削深度ap=0.010mm的磨削条件下进行切削时表面质量最为优化。     

单颗金刚石磨粒切削氮化硅陶瓷仿真与试验研究

为探索氮化硅陶瓷单颗磨粒切削加工的机理,进行单颗金刚石磨粒切削氮化硅陶瓷的仿真与试验。选用截角八面体模拟金刚石磨粒,基于Johnson-Holmquist ceramic硬脆材料本构模型,采用有限元网格法进行单颗磨粒直线切削仿真,分析工件材料的切屑去除、划痕形貌、应力动态变化与分布、切削力变化等现象,以及工艺参数对切削力的影响。制备单颗金刚石磨粒工具,在平面磨床上进行单颗磨粒切削氮化硅陶瓷的试验,进一步分析划痕形貌、切削力的变化,并验证有限元仿真的正确性。研究表明,划痕光直平整,塑性隆起很少,边缘存在较大尺寸的破碎,划痕内有局部小尺寸的破碎;划痕的深度和宽度比磨粒的切削深度和宽度尺寸略大。应力与切削力存在动态波动。随着砂轮速度的增加,切向力和法向力减小;随着切削深度的增加,切向力和法向力增大。切削力比在4～6之间变化。     

纳米结构WC/12Co涂层精密平面磨削表面残余应力有限元模拟与试验

对金刚石砂轮精密平面磨削纳米结构WC/12Co涂层的磨削表面残余应力进行有限元模拟,忽略相变影响,基于ANSYS平台,利用ANSYS参数设计语言完成建立模型、给定材料属性、划分单元、加载和求解整个过程。对纳米结构WC/12Co涂层表面磨削残余应力进行试验研究,通过改变磨削条件得到不同磨削条件下残余应力的变化规律。将试验结果与相同磨削条件下的有限元模拟结果进行对比,发现试验结果与有限元模拟结果是一致的,证明了有限元模型的正确性。     

考虑硬度的高弹性合金钢3J33微细特征磨削仿真分析及实验研究

针对高弹性合金钢3J33的难加工性与实验复杂性问题,在其加工过程中进行了仿真模拟的研究。基于弹塑性力学、磨削加工机理和有限元分析等理论,利用专业金属切削仿真软件AdvantEdge,构建了考虑硬度的单颗磨粒磨削细筋的残余应力仿真模型,对不同硬度下磨削时的细筋残余应力进行了仿真分析和对比,并通过实验加以论证,最终验证了优化后的仿真模型具有可靠性。     

Sensor elements made of conductive silicone rubber for passively compliant gripper

Grinding is regarded as a special multiple edge cutting process, in which the abrasive grains remove the workpiece material at the microlevel. The grain–workpiece interaction, which resembles the microcutting process, directly modifies the workpiece surface and dominates all the output measures of grinding process. Recently, a virtual single-layer cubic boron nitride (CBN) grinding wheel model is developed by simulating each wheel fabrication step, which makes the estimation of the single grain material removal mode possible in grinding. Therefore, the study of the grain–workpiece interaction through microcutting behavior on the abrasive grains becomes necessary for the quantitative investigation of grinding processes. In this paper, the influence of the grain orientation on the microcutting performance of CBN grains is studied through finite element method (FEM) simulation based on response surface methodology (RSM). The FEM simulation helps in both qualitative and quantitative understanding of microcutting process. And the RSM analysis is proved to be an effective tool for factorial analysis in this paper. The results indicate that the single grain microcutting force is sensitive to the grain wear condition and orientation status, and there exists preferable orientation condition for microcutting with abrasive grains to achieve minimum cutting force.     

氮化硅陶瓷球研磨去除机制试验与仿真研究

为研究研磨过程中氮化硅陶瓷球的材料去除形式及磨损行为,结合陶瓷材料动态压痕断裂力学理论,进行陶瓷球研磨加工试验,采用超景深三维显微镜和扫描电镜对研磨后陶瓷球表面进行观察,同时建立单颗金刚石磨粒冲击作用有限元模型并进行仿真研究。试验结果表明:氮化硅陶瓷球表面材料去除以脆性断裂去除和粉末化去除为主,陶瓷球表面残留有大量贝壳状缺陷和呈簇状随机分布的粉末化材料区域;研磨过程中,陶瓷球表面存在擦伤、划伤和凹坑等缺陷;磨粒冲击作用时,表面材料会受微切削作用产生破碎去除,同时也会受挤压作用产生脆性断裂去除,当磨粒以滚动方式作用在陶瓷球表面时,陶瓷球表面更容易形成粉末化去除,且材料去除率更高。仿真结果表明:各磨粒冲击作用方式产生的最大等效应力由大到小的顺序为滚动磨粒变切深、滚动磨粒定切深、磨粒挤压、滑动磨粒定切深,其中,滚动磨粒变切深产生的亚表面裂纹最深。     

曲面圆弧包络磨削表面粗糙度特性研究

对曲面磨削表面粗糙度成型原理进行了分析,得出曲面磨削时其表面粗糙度由磨粒划痕和砂轮两步距间的残留高度构成。探讨了其分布均匀性的原理,揭示了各参数对其均匀性的影响。通过砂轮进给速度的变速控制,可以降低约60%的表面粗糙度波动率。根据理论分析可知,在加工凹曲面时,其理论残留高度值约为凸曲面的两倍。实际加工时,采用较小的砂轮进给步距或砂轮圆弧半径可达到凸曲面的表面粗糙度效果。     

Mechanisms in oxide-carbide ceramic BOK 60 grinding

The paper presents an experimental study of micro-cutting intended to aid the optimization of the grinding process of the oxide–carbide ceramic BOK 60. The necessity for investigating the mechanisms occurring between the abrasive material and the ceramic is imposed by the fact that grinding is the dominant technology used to achieve the required quality of the workpiece surface finish. The investigations were carried out to determine the normal and tangential cutting forces, the critical penetration depth, and the crack generation angle on the workpiece surface as a function of the grain penetration speed and depth. The micro-cutting process was performed with a single diamond cone-shaped grain at varying depths of cut. It was found that the critical grain penetration depth separating ductile flow from brittle fracturing ranges from 3 to 5?μm, while radial cracks on the ceramic’s surface are distributed at an angle from 35° to 75°, measured relative to the direction of the diamond grain’s motion.     

An experimental study on grinding parameters for manufacturing PCD micro-milling tool

Micromachining has become a necessary manufacturing process. Micro-milling tool and its evolution play a vital role in the development of micromachining. This study optimizes the grinding process of polycrystalline diamond (PCD) compact for manufacturing PCD micro-tool. The optimization is conducted by using four parameters, i.e., grain size of PCD compact, grain size of abrasive wheel, grinding speed, and feed rate designed by the Taguchi orthogonal array. The study then evaluates two grinding characteristics, i.e., grinding forces and cutting edge radius of the PCD compact. The results of ANOVA show that the most influential parameter on grinding PCD compact is the grain size of the PCD compact, followed by the grain size of the abrasive wheel, feed rate, and grinding speed. As an example, a quadrilateral PCD micro-milling tool with a cutting edge diameter of 80 μm is fabricated by using the optimized parameters.     

刀片钝化半径对高温合金切削质量影响的研究

通过不同钝化半径的刀具对GH4169高温合金进行车削正交试验,结果表明:随着钝化半径的增加,表面残余应力先降低后增加;工件环向残余应力随着钝化半径的增加,工件内部残余压应力最大值增大,影响深度随之增加。由表面粗糙度和表面残余应力的敏感程度可知,进给量是影响表面完整性的最主要因素,其次是切削速度和切削深度。分析了不同钝化半径和切削参数对表面完整性特征的影响规律,建立了表面粗糙度表面残余应力的经验公式,得到了用于精加工GH4169高温合金较好的钝化半径范围0.02~0.03mm,以及较优的切削参数vc=60~70m/min,fn=0.05~0.075mm/r,ap=0.2~0.5mm。