考虑磨削热变形的表面微观形貌建模与仿真

针对磨削热引起的工件热胀冷缩效应对磨削后的工件表面微观形貌的影响,提出一种考虑磨削热变形影响的磨削表面微观形貌建模方法。假设磨粒为正四面体建立砂轮形貌;根据磨削运动学原理,建立考虑磨削热变形效应的单颗磨粒三维切削轨迹,并结合砂轮形貌与单颗磨粒轨迹,建立磨削表面微观形貌预测模型,通过磨削实验对仿真结果进行验证,结果为该模型最小误差仅0.135%,最大误差为13.31%,验证了在磨削热变形效应影响下的仿真结果的准确性。     

复杂曲面表面形貌的评定及其应力集中分析

为合理评定圆棒试样缺口底部复杂曲面的表面加工质量,提出小波变换并结合摄动法对其进行定量分析的方法。对测量的原始表面形貌进行小波变换提取出表面粗糙度信息,并进行表面粗糙度参数分析。采用摄动法对提取出的表面粗糙度信息进行应力集中分析,提出计算复杂曲面表面应力集中系数和表面相对应力梯度的方法。使用NPFLEX白光干涉仪测量平板试样和圆棒试样缺口底部复杂曲面的表面形貌。针对平板试样的表面形貌,使用所提方法对其表面形貌进行评定,验证该方法的准确性。对圆棒试样缺口底部复杂曲面的表面形貌进行评定及应力集中分析,为圆棒试样缺口底部复杂曲面表面加工质量的评定提供参考方法。     

表面微观形貌特征对二次挤压强化孔疲劳性能影响

建立了孔的二次挤压强化疲劳仿真模型,探究孔壁表面微观形貌特征对强化孔疲劳性能的影响。采用Abaqus有限元软件及MSC. Fatigue疲劳分析软件,对孔的二次挤压强化过程进行了模拟并计算了强化孔的疲劳寿命。选取孔壁微元,用半椭圆微观缺口代表零件表面微观轮廓,通过有效应力集中系数K_f修正材料S-N曲线,探究了表面微观轮廓对二次挤压强化孔疲劳性能的影响。结果表明,二次挤压强化后孔壁产生残余压应力层,试验件疲劳寿命得到提高;孔壁微观缺口数目增加可以有效缓解应力集中系数,应力集中系数K_t与深宽比b/a及间宽比d/(2a)成正相关;二次挤压强化可以降低孔壁表面粗糙度21%～49%,能有效缓解缺口应力集中现象,提高孔的疲劳性能。     

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。     

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。     

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。     

V型缺口应力集中系数分析及应用

为了分析V型缺口的应力集中系数,引入Filippi缺口应力场方程,计算了对称拉伸(Ⅰ型)和反对称剪切(Ⅱ型)两种载荷类型下的应力场参数。建立拉伸载荷下的V型缺口参数化模型,通过数值计算和理论分析结果比较,验证了Filippi方程的准确性。考虑到缺口根部的微观约束效应,采用Neuber应力平均概念和虚拟缺口半径方法,获得了缺口约束因子,虚拟缺口半径等与缺口参数之间的关系。在此基础上,采用有限元方法计算了尖锐V型缺口在不同约束尺寸和缺口角度下的平均应力集中系数和等效应力集中系数,两种缺口应力集中系数偏差基本保持在10%以下,表明所求解的缺口应力集中系数具有较高的可信度。最后将缺口应力集中系数应用在焊接接头的缺口应力分析中,从而避免了因单元尺寸不同而造成的结果差异。     

纳米粒子射流微量润滑磨削表面粗糙度预测与实验验证

随着人们环保意识的增强,微量润滑技术已经开始应用于磨削加工中,但是它的冷却效果有限,不能满足高磨削区温度强化换热的要求。而纳米粒子射流微量润滑新工艺的提出,可以有效地解决磨削区换热问题,同时又增强了砂轮与工件界面的润滑特性。针对在纳米粒子射流微量润滑磨削条件下磨削工件表面粗糙度预测,提出一种用于测量砂轮表面形貌的装置以及对磨削工件表面形貌进行模拟仿真的方法。并以两种工件材料为研究对象进行表面形貌数值模拟和实验验证,结果表明该种预测方法能够较准确地对磨削加工工件表面粗糙度进行预测,对于磨削参数的选择具有一定的指导意义。     

齿根三维粗糙表面的应力集中系数计算研究

考虑粗糙表面影响因素的齿轮齿根处应力集中系数计算是齿轮弯曲疲劳寿命精准预估的难题,以磨削喷丸后的直齿轮为研究对象,研究粗糙表面下的齿根应力与应力集中计算问题。采用白光干涉仪Wyko NT9100对磨削喷丸齿根粗糙表面进行测量,得到粗糙表面形貌数据,基于空间坐标变换原理,使用Python对有限元软件进行二次开发,通过调整齿根细化网格节点坐标实现了齿根表面粗糙形貌的添加工作,建立了齿根过渡曲面三维粗糙表面有限元模型并进行仿真分析。通过数值计算得到三维粗糙表面参数下的齿根应力分布与应力集中系数,对粗糙表面参数与应力集中系数的关联规律进行非线性回归分析,建立粗糙表面参数与应力集中系数的关联规律。结果表明,粗糙表面参数S_a、S_v、S_10z拟合应力集中系数得到拟合公式的相关系数分别为0.799,0.784,0.914,十点区域高度参数S_10z能较好地表征齿根表面的应力集中。     

考虑粗糙度参数R_a影响的齿根弯曲疲劳寿命计算

表面形貌产生的应力集中效应对齿轮的疲劳寿命有重要影响,表面形貌对齿轮疲劳性能影响的定量分析方法是深入研究齿轮表面完整性及抗疲劳制造的基础性工作。以磨削加工的直齿轮为分析对象,提出一种基于表面形貌影响的齿根弯曲疲劳寿命预估方法。通过有限元分析得到齿根危险区域,采用白光干涉仪对齿根危险区域进行测量,根据测量数据确定表面形貌的统计分布参数和自相关函数。基于表面形貌统计分布参数和自相关函数对表面进行重构,得到有限元计算所需的表面形貌几何样本,用有限元方法分析齿根表面形貌的应力集中效应,基于材料S-N曲线估算齿根弯曲疲劳寿命,给出粗糙度R_a与齿根弯曲疲劳寿命的定量关联规律。     

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。     

表面粗糙度对三维应力集中系数及疲劳寿命的影响

利用半椭圆微缺口表征表面粗糙度,建立了平板表面形貌的三维有限元模型,总结了微缺口参数对表面应力集中系数的影响规律。建立了表面应力集中系数与表面粗糙度之间的经验公式,预测了不同表面粗糙度下平板的疲劳寿命。研究结果表明：应力集中系数与表面粗糙度成正相关关系;当缺口数大于10时,应力集中系数随缺口数的增加而恒定;当间宽比大于5时,多缺口已经失去缓和应力集中的作用;疲劳寿命随着表面粗糙度的增加而缩短。     

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。     

K9玻璃磨削亚表面损伤深度预测模型及实验研究

基于压痕实验原理,建立了K9玻璃亚表面损伤深度预测模型。为获得预测模型中的未知参量,开展了K9玻璃磨削实验。利用激光扫描共聚焦显微镜检测工件磨削后的表面粗糙度值,利用扫描电镜检测磨削后的工件表面微观形貌和亚表面损伤层形貌,分析了工艺参数对表面粗糙度值和亚表面损伤深度的影响规律。考查了工艺参数对法向磨削力的影响规律,并根据实验数据,采用多元线性回归拟合法得到法向磨削力的经验公式,进而确定了亚表面损伤深度预测模型的参数。模型预测值与实验值具有较好的一致性,表明预测模型具有一定的可靠性。     

表面粗糙度对表面应力集中系数和疲劳寿命影响分析

把平板的表面形貌简化为半椭圆形微缺口,采用有限元法对不同表面粗糙度下的应力场进行分析,得到不同表面粗糙度Rz时平板的表面应力集中系数,并预测不同表面粗糙度的平板在不同存活率下的疲劳寿命,讨论表面粗糙度对疲劳寿命的影响。采用回归方法建立表面应力集中系数与微缺口中心间距、表面粗糙度之间的经验公式。结果表明,在相同存活率下,表面粗糙度与平板的对数疲劳寿命呈二次曲线关系。     

产品几何规范中非理想表面的多尺度表征

考虑目前多数计算机辅助公差工具仅能针对具有理想几何表面的CAD模型,无法从物理几何角度真正反映制造误差,本文研究了非理想表面的多尺度表征,提出了一种能够表征产品表面及其截面轮廓宏观及微观多尺度形貌误差的非理想表面模型。首先,提出了一种利用离散小波实现形貌误差多尺度仿真的方法;其次,针对实际工件,利用离散小波对其表面及截面轮廓采样数据进行形貌误差多尺度仿真;最后,对形貌误差各尺度成分进行合成,得到具有多尺度形貌误差成分的工件三维表面及其二维截面轮廓的非理想表面模型。仿真及实验结果表明:利用提出方法可以实现具有多尺度形貌误差的非理想表面模型表征;仿真所得粗糙度R_a值与白光干涉仪测量所得值的平均相对误差不超过4%。得到的结果证明了提出方法的正确性和可行性,为更加全面地表征产品的非理想表面模型提供了有效途径。     

叶序排布磨粒对砂轮的磨削温度场效应

在砂轮磨削过程中,磨削热影响工件表面完整性,而磨粒排布是影响磨削温度场的重要因素之一。针对磨粒叶序排布的砂轮,采用有限元法对磨削温度场进行了计算模拟分析,获得了叶序系数对工件磨削温度场的影响规律。研究结果表明,随着叶序排布系数的增大,被磨工件的表面温度和温度梯度减低。     

砂轮约束磨粒喷射精密光整加工表面微观形貌的研究

对砂轮约束磨粒喷射精密光整加工表面微观形貌进行分析，研究了工件表面尖峰去除机理和均化及改善波纹度机理。利用平面磨床M7120对精磨后的Q235A工件材料进行喷射加工实验，采用TALSURF5轮廓仪测量加工后表面的微观几何参数值，用扫描电镜观察表面微观形貌变化，用金相显微镜观察磨削烧伤。实验结果表明，随着加工循环次数的增加，表面微观形貌由方向一致的沟槽过渡到随机的、无方向性的微细凹坑，表面粗糙度值明显降低，喷射加工能减轻或消除磨削烧伤。     

研磨表面微观形貌的三维检测及Areal表征

介绍了三维表面微观形貌的检测方法,分析了采用高斯滤波提取基准中面的原理,针对研磨表面形貌的表征选取了一组Areal表征参数。运用原子力显微镜(AFM)扫描研磨工件的表面,采用高斯滤波提取基准中面进而分离出表面微观形貌的三维信息,在此基础上计算出表征参数值。试验表明研磨表面微观形貌呈现高斯分布规律,采用高斯滤波方法及所选的Areal表征参数能够有效地表征研磨表面的三维微观形貌。