软固结气压砂轮磨粒磨损研究

为解决自由曲面高效光整加工的问题,将软固结气压砂轮光整技术应用到模具加工中。软固结磨粒群在磨削时能受到柔性支撑,其磨削特性既不同于砂带,也不同于游离磨粒,然而气压砂轮有效加工的时间很短,磨损情况较为严重。针对这一情况,开展了软固结磨粒群磨粒的磨损过程及磨损机理分析,通过实验分别对气压砂轮自转速度ω、气压砂轮下压量d以及磨粒种类等与气压砂轮磨粒磨损之间的关系进行了研究和评价,并对不同种类磨粒的磨损表面进行了观测。研究结果表明:软固结磨粒磨损可以分为初期磨损阶段、正常磨损阶段和严重磨损阶段;磨粒的磨损随着气压砂轮自转速度ω和下压量d的增大而变得严重,但是当气压砂轮自转速度ω增加到某一定的值时,磨粒的磨损反而会下降。     

渐进式黏磨层气压砂轮的设计

针对传统气压砂轮存在磨粒容易脱落,加工效率低等问题,提出了制备渐进式黏磨层气压砂轮的方法。该方法基于分层渐进抛光的思想,在砂轮头表面涂覆多层不同厚度和目数的黏磨层。利用磨粒脱落量及表面加工质量实验确定不同黏磨层光整加工所需时间及厚度,制备了渐进式黏磨层气压砂轮,研究了砂轮头的几何精度和加工工件的表面质量。结果表明:渐进式黏磨层气压砂轮不同黏磨层磨粒目数分别为180#、120#、80#,其厚度分别为2mm、0.21mm、0.3mm,各层厚度均符合设计要求,误差在5%以内。在加工过程中,外层黏磨层能在理想时间逐层有效脱落。当下压量为2mm、磨削转速为1 250r/min时,渐进式黏磨层气压砂轮能够完成初期光整加工且效率提高19%以上。实验显示:提出的方法大幅提高了激光强化表面光整加工效率和自动化程度。     

软固结气压砂轮的质量评价及试验研究

为达到软固结气压砂轮所具有的效率高、质量可靠、工艺简单、可控性强的生产要求,将气压砂轮成型制备系统技术应用到软固结气压砂轮的制作中,该系统由注料压模成型系统、取件输送系统和表面固化系统3个部分组成。开展了气压砂轮固有质量、加工质量和损失质量的分析,建立了气压砂轮质量概念模型,提出了气压砂轮质量评价方法;应用机器人辅助光整加工平台,对不同规格气压砂轮进行了光整加工试验研究。研究结果表明,该质量评价体系验证了气压砂轮的质量,为气压砂轮的产业化奠定了基础,具有明显的创新性与实用性。     

软固结磨粒气压砂轮的力学分析

建立了一种应用于高硬度、高耐磨性自由曲面光整的新型软固结磨粒气压砂轮模型。首先,根据材料特性确定了该模型的三种材料,并计算了两相模型的弹性模量,研究了强度极限;其次,对各层应力分布进行仿真分析,研究各层厚度对应力的影响;最后,将制作出的软固结磨粒气压砂轮用于抛光实验,得到一系列加工结果。仿真结果表明:双弹性体厚度值与应力值成反比,磨粒层厚度值与应力值成正比;对模型进行优化,磨粒层受力明显增大,即抛光作用力显著增大,力传递效果较好,且最佳黏结层厚度为0.5mm。实验结果表明:黏结层厚度为0.5mm时,加工效果最佳。     

软固结磨粒群气压砂轮的力学特性分析

提出以软固结磨粒群(Softness consolidation abrasives,SCA)气压砂轮为工具的加工方法,对磨粒群密集颗粒系统的力学特性进行分析,用于解决激光强化后局部高硬度区域难以高效光整的问题。引入软球接触模型建立磨粒软固结形态下的微观接触力模型,引入全局阻尼系数得出了磨粒蠕变时的位移和速度公式。通过PFC3D仿真,验证了接触力计算公式,建立了颗粒系统的接触力网。对单颗磨粒在z轴方向上的速度进行跟踪研究,证实了SCA在加工时的存在蠕变现象。结合修正的Preston的方程,针对激光强化自由表面进行加工试验。试验结果表明:在相同加工时间内,SCA累积高出游离磨粒近34.35%的材料去除量,且避免了刚性砂轮面向曲面加工时产生的划痕,SCA加工可大幅提升面向高硬度曲面的光整效率。     

单层钎焊金刚石砂轮的修整实验研究

为满足单层钎焊金刚石砂轮高效精密加工的性能要求,对磨粒有序排布单层钎焊金刚石砂轮的修整进行了实验研究。采用磨粒有序排布的钎焊金刚石修整工具对钎焊砂轮进行了修整,该修整方法通过修整工具粒度的变化以及修整速比的调整来控制砂轮形貌,从而使氧化锆的磨削表面粗糙度达到了精密加工的水平。对砂轮形貌进行了观测统计,数据表明,砂轮磨粒的等高性得到明显改善且避免了磨粒端部的严重钝化。     

钎焊单层金刚石砂轮的实验研究

单层高温钎焊超硬磨料砂轮具有传统砂轮和电镀砂轮无法比拟的优异磨削性能。利用高频感应钎焊的方法,以Ag-Cu合金和Cr粉为钎料,在一定的钎焊工艺条件下进行了实验研究,实现了金刚石与钢基体间的牢固化学冶金结合。扫描电镜分析发现在Ag-Cu-Cr与金刚石的界面之间形成CrC,与钢基体结合界面之间形成(FexCry)C,这是实现合金层与金刚石及钢基体之间都有较高结合强度的主要因素,并在相同的磨削参数条件下与电镀砂轮进行了对比实验,取得了较好的结果。     

Ni-Cr合金真空感应钎焊单层金刚石砂轮的实验研究

利用真空感应钎焊方法 ,用Ni Cr合金片作钎料 ,实现了金刚石与钢基体间的牢固连接。利用扫描电镜和X射线能谱 ,结合X射线衍射结构分析 ,发现Ni Cr合金中的Cr原子与金刚石表面的碳原子反应生成稳定连续的CrC膜 ,在与钢基体结合界面上生成 (FexCry)C ,这是实现合金层与金刚石及钢基体之间都有较高结合强度的主要因素。最后通过磨削实验验证了金刚石确有较高把持强度。     

基于G-W模型的软固结磨粒群接触力分析研究

针对激光强化模具自由曲面的光整加工问题,对软固结磨粒群气压砂轮与模具表面接触力、下压量进行了研究,对砂轮接触模具表面时的磨粒姿态进行了分析,提出了一种基于G-W接触模型构建了软固结磨粒群接触力模型。利用ANSYS WORKBENCH对不同的下压量进行了仿真分析,得到了相应接触力的分布情况,验证了接触力模型的有效性。通过气压砂轮光整实验平台,利用Kistler 9129AA切削力测试仪对不同下压量的接触力进行了测试。研究结果表明,基于G-W的软固结磨粒群接触力模型能够用于计算气压砂轮与模具表面的接触力,接触力与下压量的成类线性关系,且线性关系良好。     

磨粒族叶序排布砂轮的铣磨实验研究

为了实现砂轮表面磨料排布的有序化,本文将仿生学叶序理论与磨削机理相结合,利用光刻技术和复合电镀技术制备出了磨粒族叶序排布砂轮。铣磨实验结果表明:磨粒族叶序排布砂轮的磨削性能优于普通无序排布砂轮。     

颗粒流撞击壁面的离散元模拟

为了解决催化裂化装置中催化剂颗粒的磨损、撞碎等问题,首要解决催化剂颗粒的运动特性问题,为此将离散元数值模拟的技术应用到催化剂颗粒撞击壁面的模型中,简化了催化剂颗粒撞击壁面的模型为颗粒流撞击壁面模型,开展了颗粒流撞击壁面的离散元分析;建立了颗粒流中随机标记颗粒的速度与时间、位移与时间的关系,及整个颗粒流的动能与时间的关系;追踪了标记颗粒的运动轨迹,解释了颗粒流撞击壁面产生不规则分布的原因;提出了分段区间随机取样求得壁面平均应力的方法,在不同入射速度下对壁面产生的平均应力大小进行了对比分析。研究结果表明,入射颗粒流的速度对壁面应力的影响呈不稳定性,不同的入射速度影响壁面的平均应力大小,且在一定范围内入射速度越大,壁面的应力越大。     

时变去除函数在气压砂轮抛光中的应用研究

针对气压砂轮抛光中通过驻留时间控制材料去除量需在模具表面多去除一层材料及抛光效率低等问题,提出了一种基于时变去除函数的抛光材料去除量控制方法。该方法以抛光工具所能达到的最大进给速度在模具表面进行抛光加工,无需多去除材料,通过实时改变抛光工具的去除能力以适应面形误差的变化,极大地缩短了抛光时间;开展了抛光材料去除过程研究,建立了气压砂轮抛光工具进给速度与面形数据和抛光去除函数之间的关系,提出了抛光过程时间的计算方法;针对时变去除能力超出抛光工具最大去除能力的问题,提出了在气压砂轮抛光中对需去除的材料进行分层抛光的思想。最后,通过抛光过程时间对材料去除量控制的两种方法进行了对比分析。研究结果表明,在气压砂轮抛光中采用时变去除函数来控制材料去除量能极大地提高抛光效率。     

基于DEM算法的多颗粒碰撞耗能机理分析与振动抑制研究

针对机械构件主系的封闭空间中填充微小颗粒,进行振动抑制问题,对填充颗粒的尺寸、数量以及材料特性因素对振动抑制效果的影响开展了研究。通过采用离散单元法(discrete element method,DEM),分析了颗粒与颗粒以及颗粒与主系统之间的运动学特性,建立了能够充分表达颗粒在相互碰撞摩擦过程中的受力、变形关系以及耗能计算模型,分析了多个颗粒之间的碰撞与耗能机理,确定了碰撞过程中颗粒的状态、受力及耗能大小的计算求解算法。在Matlab环境下,针对不同颗粒材质、数量及大小对系统振动抑制性能进行了仿真分析,得出了颗粒材质大小以及数量对减振性能的影响规律,并通过搭建的试验台,进行了试验数据采集和分析。试验结果与仿真结果相吻合,验证了算法的有效性,该算法为提高机械构件的减振性能设计提供了重要参考。     

耦合DEM-CFD法双入口磨粒流动力学模拟及加工试验

针对单入口磨粒流加工装置光整不均匀问题,提出了双入口磨粒流加工装置,为了解决传统CFD软件不能跟踪颗粒撞击壁面问题,结合DEM和CFD方法,通过耦合PFC和CCFD软件,利用DMP颗粒运动模型和标准k-ε湍流模型来模拟磨粒在流场中的运动.仿真中,通过PFC记录磨粒撞击壁面的速度和次数,通过CCFD记录流场运动状态,并应用Abaqus中Johnson-Cook模型分析了撞击速度和撞击次数对靶材质量损失的影响.数值模拟结果表明,双入口装置内两股流体撞击使得磨粒运动更为无序,磨粒撞击壁面次数大大增加,同时撞击壁面速度大于40 m/s的次数达到1 382次,远大于单入口的563次,使得加工面的材料去除速度更快.加工试验结果表明,加工30 h后,双入口装置加工的工件表面粗糙度Ra=0.35 μm,单入口装置工件表面粗糙度Ra=0.65 μm,加工效率明显提高.     

离散元素法在工业过程分析与产品设计中的应用初探

离散元素法(DEM)是求解与分析离散系统的运动规律与力学特性的一种新型数值方法。目前,DEM已初步拓展至工业过程分析与工业产品设计领域。针对DEM仿真的特点,尝试性分析了DEM在工业过程分析与产品设计中应用的特征,探讨了DEM在工业过程分析与产品设计仿真应用的分类,讨论了DEM工业应用中面临的问题及挑战。     

Finite element simulation and finishing experiment of the composited pneumatic wheel

In order to improve the finishing eeficiency of pneumatic wheel for laser hardening mold, and solve the subtle crack problem of pneumatic wheel caused by high frequency vibration and prolonged pressure during the long time finishing, a composite pneumatic wheel of SBR reinforced by PPTA-pulp was designed. Through the axial tensile test of the standard sample, the stress-strain relationship and the elastic modulus of composite pneumatic wheel were received. Using ANSYS/LS-DYNA the modal and strees distribution of composite pneumatic wheel were simulated, the distribution curve of the modal frequency and contact stress were received. According to the finishing experiment of laser hardening molt!, the correctnees of the simulation was verified. The results show that the frequency of the composite pneumatic wheel has been improved significantly, and the strees distribution is uniform, so as to improve the finishing eeficiency for mold with high hardnees and wear resistance. If adding 3.3% PPTA-pulp, both the profile ability and the strees distribution would be preferable. That could be beter for the laser hardening mold finishing. [ABSTRACT FROM AUTHOR]     

基于离散元法的沥青混合料微观力学模型研究

沥青混合料是一种气-液-固多相复合的材料,是不连续的离散介质,因此从介质离散角度出发的离散单元法(DEM)比从材料连续角度出发的有限元法能更加精确地模拟沥青混合料的特性。根据胶浆理论,把沥青混合料看作是级配粗集料和沥青砂浆的复合体,对该复合体中集料与集料之间、粗集料内部、集料与沥青砂浆之间、沥青砂浆内部的微观力学模型进行了分析,并提出了自己的一些改进意见。     

基于PFC3D的研磨片研磨过程离散元仿真

针对研磨片研磨过程中工件表面粗糙峰去除和研磨片磨粒涂覆层磨粒脱落的问题,将离散元技术应用到研磨片研磨过程微观表面变化研究中。以PFC3D软件为平台,对研磨片的研磨过程进行了建模与仿真,将模型简化为理想梯形凸起的粗糙峰层和磨粒-结合剂混合层的相互接触摩擦过程,通过双轴试验表征了模型微观参数,开展了单元接触点不平衡力的变化规律、单元脱落过程、磨粒涂覆层中结合剂结合强度以及砂结比对研磨过程的影响分析。研究结果表明,接触点处的不平衡力呈现散射样式逐步减弱,不平衡力峰值为5.9×103N;磨粒平行粘结强度为723 Pa,砂结比为1∶6时研磨效果最好,粗糙峰可以有效去除,表层钝化磨粒可以有效脱落。