基于光滑粒子流体动力学法单颗磨粒超声辅助磨削陶瓷材料的磨削力仿真研究

为了揭示轴向超声振动对磨削SiC陶瓷、Al₂O₃陶瓷的磨削力影响机制,利用光滑粒子流体动力学（SPH）法对单颗金刚石磨粒磨削SiC陶瓷、Al₂O₃陶瓷的磨削力进行仿真,提出在单颗磨粒模拟磨削中应将平均未变形切屑厚度作为磨削深度。通过分析轴向超声振动振幅与磨粒速度对平均未变形切屑厚度的影响,发现平均未变形切屑厚度随着超声振动振幅的增加而减小、随着磨粒速度的降低而减小。仿真结果表明：与普通磨削（CG）相比,轴向超声振动能够有效降低磨削力;随着超声振动振幅的增加磨削力降低比率增大;在相同磨削参数下,磨粒切削SiC陶瓷时磨削力大于切削Al₂O₃陶瓷的磨削力。     

单颗磨粒切削氮化硅陶瓷表面残留高度研究

基于单颗磨粒切削路径规划和未变形切屑厚度模型,建立加工表面残留高度与加工参数之间的关系模型。在高精度数控平面磨床上进行单颗磨粒切削氮化硅陶瓷加工实验,结果表明残留高度与与切削力呈正相关关系。当材料去除方式为以脆性裂纹扩展控制的断裂破碎时,加工表面残留高度现象相对明显。通过对正交实验结果进行分析,获得有助于降低表面残留高度的加工参数组合,可用于指导实际磨削加工,并通过磨削实验进行验证。     

基于响应曲面法的氮化硅陶瓷磨削工艺参数优化

为加强氮化硅陶瓷的应用,实现高效精密磨削加工,必须深入研究氮化硅陶瓷磨削表面质量的影响规律及其工艺参数优化。根据氮化硅陶瓷磨削试验,建立磨削力、表面粗糙度、等效加工时间和亚表面损伤深度等4个磨削加工结果的理论计算模型和二次回归响应曲面模型;利用模型的响应曲面图直观分析砂轮线速度、工件速度、磨削深度等磨削工艺参数对磨削加工结果的影响规律。以磨削加工结果综合最小为目标,进行磨削工艺参数的多目标参数优化,得出砂轮线速度为30 m/s、工件速度为40 mm/s、磨削深度为5μm的优化工艺参数组合。     

纳秒激光修整粗粒度金刚石砂轮及其磨削性能研究

利用脉冲光纤激光对粗粒度青铜金刚石砂轮进行切向整形与径向修锐,并用修整后的砂轮磨削硬质合金工件,对不同磨削阶段的砂轮磨损形式和磨削比、工件表面粗糙度进行研究。结果表明:经激光整形后,砂轮圆跳动和平行度误差分别由83.1、324.6μm下降至6.8、3.8μm;与用碳化硅砂轮修整相比,经激光修整后砂轮表面磨粒的脱落更少、等高性更好、出刃高度更合适;当累计磨削深度达到10、20、30 mm时,砂轮磨损形式为磨粒磨耗和脱落磨损、以磨粒磨耗磨损为主并伴有磨粒脱落和结合剂磨耗磨损、磨粒脱落和磨耗以及结合剂磨耗磨损,砂轮磨削比约为205.4、405.1、96.0,工件表面粗糙度为0.314、0.337、0.454μm。     

单颗立方氮化硼磨料磨损过程试验研究与分析

设计单颗磨粒磨削装置,通过超景深显微镜观测单颗立方氮化硼(CBN)磨粒的磨损现象,分析CBN磨粒磨损状态的变化规律及原因。研究表明,钎焊CBN磨粒磨削合金渗碳钢20Cr Mo时,可将CBN磨粒磨损状态变化归纳为微观磨损、磨平、宏观破碎和失效4种形式。由于磨粒的磨损规律受磨粒表面形貌、磨粒的突出高度及磨削深度的影响,每个CBN磨粒的磨损形式不尽相同。在单颗粒磨削过程中,磨削深度对磨粒破碎形式有较大的影响,在磨削深度较小时,磨粒磨损以微观磨损和磨平为主;在磨削深度较大时,磨粒磨损以宏观破碎为主,并导致磨粒的失效。     

单颗立方氮化硼磨粒切削特性及工件材料变形行为的微观力学分析

为了解决有限元法模拟切屑分离时的网格束缚问题,采用有限元法和光滑粒子流体动力学（SPH）法的耦合方法进行了单颗立方氮化硼（CBN）磨粒切削过程的微观力学仿真。通过CBN磨粒与工件材料的应力变化与分布情况以及切削层SPH粒子的运动情况,从微观角度分析了单颗CBN磨粒的切削成屑机理,并分析了CBN磨粒的几何特征对工件材料切削变形的影响;采用陶瓷CBN砂轮贴片样块进行了磨粒划擦实验,结果表明：磨粒的推挤使工件材料发生塑性变形,沿磨粒的前方及两侧隆起,并最终于磨粒的前方流出而形成磨屑;磨刃前角增大,剪切角随之增大,导致磨粒的耕犁作用减弱而切削作用增强。磨粒刃边强度低、接触应力大,磨损速率较快,易于发生磨耗及微破碎磨损而使磨粒钝化。     

工程陶瓷磨削损伤建模与数值模拟研究进展

针对工程陶瓷磨削损伤现象,探讨材料去除与损伤机理,综述国内外基于断裂力学和损伤力学的损伤建模技术在工程陶瓷磨削损伤领域的研究进展。对单颗磨粒建模和砂轮三维形貌建模方法进行总结讨论,在此基础上介绍数值模拟技术在工程陶瓷磨削损伤研究中的应用现状。指出基于细观损伤力学,实现针对力热耦合作用下工程陶瓷磨削损伤的数值模拟,最后就这一方向的深入研究工作做展望。     

SiC单晶切割过程中接触弧长建模与实验

SiC单晶具有良好的物理和机械性能,广泛应用于大功率器件和集成电路行业,但因高的硬度和脆性,使其切割、研磨和抛光加工过程成为难点。在固结金刚石磨粒的线锯切割SiC单晶过程中,由于受各种因素的影响,使得切割力呈动态变化,而影响切割力的直接因素就是工件与线锯之间的接触弧长。根据线锯和工件的运动过程,分析接触弧长产生的过程,建立往复式线锯切割过程中接触弧长的数学模型,并对该过程中实验和仿真产生的误差进行了分析。以单颗磨粒的切深为基础,确定模型中的切削深度。仿真和实验结果表明,建立的模型可以较准确地预测不同工艺参数下的接触弧长。     

二维超声磨削纳米复相陶瓷表面残余应力研究

采用二维超声振动磨削和普通磨削方式,利用X射线衍射仪,对纳米复相陶瓷和氧化锆陶瓷表面残余应力的性质及大小进行了研究。实验表明,残余应力是磨削条件、相变应力和裂纹释放应力综合作用的结果。得到结论:在相同的磨削条件下,超声磨削的切向残余拉应力比普通磨削方式的小,法向残余压应力则比普通磨削的大;磨粒尺寸越小,残余拉应力越小;材料以塑性方式去除时,残余应力表现为压应力;超声磨削的m相变率比普通磨削的小。     

金刚石线锯切割碳纤维复合材料实验研究

为研究金刚石线锯切割碳纤维复合材料的锯切工艺,在总结国内外大量文献资料的基础上,利用自行研制的金刚石线锯切割加工机床对金刚石线锯切割碳纤维材料进行了实验研究。实验结果表明：适当降低线锯进给速度和提高线锯线速度时碳纤维复合材料的切缝轨迹更加理想;金刚石线锯在线速度较低和线锯张紧力较高条件下的稳定性较好;切向锯切力随线锯线速度的增加而减小,更有利于保证工件切割质量;法向锯切力随线锯进给速度的增加而增大;线锯上金刚石颗粒分布不均、工件厚度和位置及线锯运动方向的改变,使得碳纤维材料线缝轨迹不是理想的直线。     

结构陶瓷磨削表面残余应力的产生机理

对结构陶瓷磨削表面残余应力的产生机理进行了研究。采用金刚石单颗粒模拟砂轮磨削运动，通过改变切削参数和磨粒形状以真实模拟各种应力单独作用时对残余应力产生的影响，并用Ｘ射线衍射法测试表面残余应力。研究结果表明：陶瓷磨削残余应力主要由挤压应力、切削应力和热应力的综合作用引起；三这三种方法中，切削应力对残余应力的影响最小，挤压应力产生残余压应力，热应力产生残余拉应力。冷却条件显著影响残余应力。     

超声ELID复合磨削陶瓷材料高效去除机理的仿真研究

基于硬脆材料去除机理,结合超声振动辅助磨削过程中单颗磨粒的运动学分析,建立超声ELID(Electrolytic inprocessing Dressing)复合磨削条件下的材料去除率数学解析模型,并对模型进行分析和仿真。结果表明:材料去除率随切削深度、砂轮速度、超声振动振幅和频率的增大而增大;同等条件下,超声ELID复合磨削比ELID磨削时的材料去除率高,且分别在切削深度较大、砂轮速度较小时较明显;随超声振动振幅和频率的增大,材料去除率近似呈线性增长。     

轴承钢GCr15高速外圆磨削试验研究

为充分发挥轴承钢GCr15的优越性能,保证GCr15轴承等产品的加工质量和效率,开展其高速磨削研究。选用陶瓷CBN砂轮进行GCr15的高速外圆磨削正交试验,采用极差分析方法从最大未变形切屑厚度ag,max等探究砂轮线速度、工件速度和磨削深度对磨削力、磨削温度、表面粗糙度、表面形貌、表面硬度以及变质层深度等加工结果的影响,并进一步分析金相组织、残余应力。结果表明,较好的GCr15磨削表面质量和较大的材料去除率可以通过较大的砂轮线速度、适当的工件速度与磨削深度来实现。     

切向超声振动辅助磨削对单颗粒切削力的影响

通过引入单位磨削力,结合超声振动辅助磨削过程中单颗粒的运动学分析及其切削深度计算,建立了单颗粒动态切削力及其平均切削力数学模型,进而推导出磨削区内的平均切削力公式;通过试验对普通磨削力和切向超声振动辅助磨削力进行了研究.研究结果表明,在相同的加工条件下,超声振动辅助磨削的单位磨削力低于普通磨削;切向超声振动的引入使磨削...     

电镀CBN砂轮端面磨削力特性研究

本文研究了电镀CBN砂轮端面磨削沟槽底面时磨削力的不稳定性及其与磨粒损伤形式之间的关系。在砂轮磨削的初期阶段存在磨削力急升陡降的凸峰,之后磨削力小幅波动具有随砂轮累积磨削体积增加而增大的趋势。在磨削过程中CBN磨粒存在尖端磨损、磨粒切削刃破损、磨粒整体破碎和磨粒脱落等损伤形成,决定了磨削力的持续增大和不稳定特性。     

SiC/GFRP叠层复合装甲旋转超声孔加工轴向力与制孔质量研究

SiC/GFRP叠层复合装甲成型后具有高强度、高硬度、高韧性、高黏性等特点,孔加工极为困难,易出现叠层界面失效、陶瓷崩边、纤维撕裂等损伤。采用新型烧结/钎焊复合工艺薄壁金刚石套料钻,结合旋转超声振动辅助孔加工技术,建立了单颗磨粒的运动学模型,超声振动套孔加工时套料钻与工件周期性地接触分离,其断续切削特性有利于减小轴向力。对SiC/GFRP叠层复合装甲进行制孔试验,分析常规加工和超声辅助加工轴向力的变化规律和制孔质量。研究结果表明,相比于常规套磨加工,超声辅助套磨加工轴向力显著减小,降幅最大达31.8%;超声加工入孔叠层界面处粘结紧密,未出现陶瓷崩碎严重的现象;有效避免了常规加工出孔处不规则隆起和隆起高度较大的缺陷,隆起高度降幅最大达61.03%,显著改善了钻削出孔表面质量,降低了出孔损伤程度,为SiC/GFRP叠层复合装甲的高效低损伤连续孔加工提供了理论参考。     

氮化硅全陶瓷球轴承沟道超精加工仿真与试验研究

为提高氮化硅全陶瓷球轴承加工精度,探究套圈沟道最优超精工艺,应用ABAQUS仿真软件,建立氮化硅全陶瓷球轴承套圈沟道超精加工的仿真模型,通过改变不同超精工艺参数,分析沟道表面应力分布图。采用正交试验,用金刚石油石对氮化硅全陶瓷球轴承沟道进行超精加工,得到沟道表面形貌及粗糙度值。研究各超精工艺参数对沟道表面粗糙度的影响。结果表明:在工件切线速度为10.4 m/s、油石压力为0.9 MPa、油石摆动速度为1 250次/min时,沟道表面应力分布均匀,表面质量最好;较低的油石压力,较高的油石摆动速度导致沟道沟形精度变差;沟道表面粗糙度随着油石压力、超精时间的增加而降低,适当提高超精时间、油石压力、短行程震荡速度并维持长行程摆荡速度约为700次/min,有利于降低氮化硅套圈沟道表面粗糙度。合理的超精工艺可极大改善氮化硅陶瓷套圈沟道精磨脆性去除后留下的表面缺陷。     

软固结磨粒群微观力学特性分析与试验研究

针对软固结磨粒气压砂轮加工过程中磨粒群内部发生剪胀效应,造成磨粒群表面局部堆积,进而引起工件表面产生划痕、降低二次精加工效率和表面质量的问题,建立磨粒群内部微观接触力学模型,揭示磨粒群内部力链传递过程。采用Li-Dafalias弹塑性剪胀本构模型,来反映磨粒群内部微观力-位移的关系。通过颗粒流三维分析PFC3D软件数值模拟具有不同孔隙率的磨粒群力链网络演化过程,以及加工件表面压强分布,结果表明：当孔隙率超过44%后,磨粒群内部力链传递路径消失;工件表面压强呈周期分布,随着孔隙率增大,压强幅值减小。搭建试验平台,通过光整加工试验得到孔隙率和磨粒目数对工件表面粗糙度的影响规律,结果显示：当采用磨粒目数800、孔隙率24%时加工得到的工件表面粗糙度较小,表面粗糙度轮郭算术平均偏差从313.74 nm降低到67.11 nm.     

基于快速抛光技术的光学元件材料去除模型研究

为精确控制抛光阶段材料去除,实现光学元件的确定性抛光加工,在分析快速抛光原理和快速抛光材料去除机制基础上,从单颗磨粒受力和抛光垫峰点捕获的磨粒数出发,获得量化的单颗磨粒瞬时切除体积和抛光接触区参与有效磨粒数,从而建立一种光学元件快速抛光材料去除模型。研究结果表明：以材料去除量为实验对象,在不同抛光液、抛光垫和光学元件实验条件下,材料去除模型的理论预测结果与实验结果较为吻合,材料去除量误差可以控制在9%以内。验证了该模型对于光学元件快速抛光技术的适用性,从而可以确定性的控制快速抛光时间和效率。     

磨粒簇有序化砂轮磨削凹坑摩擦减阻表面的策略

结构化表面在减小机械零件摩擦或表面拖曳阻力方面起到重要的作用。为获得一种结构化摩擦减阻表面的高效磨削法,基于砂轮的磨粒有序化排布设计理论,提出一种嵌齿式磨粒簇有序化排布砂轮磨削凹坑摩擦减阻表面的策略。开展磨粒簇有序化砂轮的设计理论研究,分析砂轮磨粒簇排布参数和工件凹坑表面排布参数的关系。探讨实现凹坑排布的磨削参数条件,以及凹坑与磨粒簇几何形状之间的联系。通过磨削试验验证了结构化凹坑表面的磨削形态及磨削创成机制。结果表明：利用嵌齿磨粒簇有序化砂轮能够实现叶序排布、错位排布和阵列排布结构化凹坑摩擦减阻表面的磨削;被磨削结构化凹坑表面的排布形态和凹坑形状取决于砂轮排布设计参数、磨粒簇几何形状参数、磨削参数的选择。