螺旋伞齿轮磨削表面形貌仿真与试验研究

螺旋伞齿轮广泛应用于重型车辆及军用飞机的传动系统中。磨削作为螺旋伞齿轮加工中的最后一道工序,若磨削表面形貌不符合要求,将导致齿轮耐磨性及抗疲劳强度降低,传动时产生过大的噪声与振动,严重影响重载车辆传动系统的使用寿命与可靠性。为此,通过对螺旋伞齿轮磨削磨粒运动轨迹、砂轮表面形貌特征进行建模和仿真,实现对螺旋伞齿轮磨削表面形貌的预测与分析。针对螺旋伞齿轮设计磨削试验,探究不同磨削工艺参数对齿轮表面形貌的影响。研究结果表明,提高磨削速度与展成速度、增加磨粒粒度皆有利于获得良好的磨削表面形貌,仿真及试验所获得的螺旋伞齿轮磨削表面形貌基本一致,所建模型可有效地分析螺旋伞齿轮磨削表面形貌的产生过程及各加工参数对其影响机理。     

非共轴螺旋后刀面微钻几何结构优化与刃磨制备研究

非共轴螺旋后刀面微钻相比普通平面后刀面微钻,在刀具刃磨效率及其钻削性能方面具有显著优势。微钻几何结构微小改变将引起钻削性能的重大变化。建立非共轴螺旋后刀面和螺旋槽的数学模型,计算不同几何结构参数下微钻的切削刃形状、前角和未变形切屑厚度,同时建立不锈钢微孔钻削有限元仿真模型,分析螺旋角、钻芯厚度与锋角对钻削力、温度与切屑形态的影响规律,对非共轴螺旋后刀面微钻几何结构进行优化。仿真结果表明：随着锋角增大,轴向力增大,扭矩和温度降低;随着螺旋角增大,钻削力和钻削温度降低,但是当螺旋角增大到40°时,切屑为带状切屑,切屑易阻塞,容易引起刀具折断;随着钻芯厚度增大,钻削力和钻削温度同时增大,切屑宽度减小。结合不锈钢微细钻削过程中钻削力、钻削温度和切屑形态的变化规律,提出优化的微钻几何结构参数。基于六轴数控工具磨床以及所建立的数学模型,磨制出非共轴螺旋后刀面微钻。测量结果表明,其几何参数与设计值基本一致。钻削试验结果表明,该几何结构参数的微钻具有良好钻削性能。     

蓝宝石单晶精密磨削表面形貌的分形行为研究

如何合理有效地评价光学晶体微结构表面质量,是目前光学元件精密制造与应用领域面临的重要问题。基于分形理论,采用三维和二维盒计数方法对蓝宝石单晶磨削表面形貌进行了分析,结果表明磨削表面的三维分形维数Ds与表面粗糙度呈反比关系,而且三维分形维数越高表面纹理越精细,三维分形维数越低表面缺陷越多。磨削表面截面轮廓的二维分形维数DL分布规律可以反映材料去除方式的变化。当二维分形维数DL沿磨削方向呈强对称分布时,该磨削表面为延性域去除;若呈弱对称性或不规则分布,则该磨削表面为脆性域去除。研究证实了分形方法不仅可用于综合表征蓝宝石磨削表面形貌,还可用于揭示蓝宝石磨削表面的材料去除机理。     

齿轮钢18Cr2Ni4WA磨削烧伤实验及仿真预测研究

18Cr2Ni4WA钢以其韧性好和强度高的特点,广泛使用于螺旋伞齿轮等重载齿轮的生产与制造。磨齿作为齿轮加工的最后工序,磨削区域较高温度场容易引起磨削烧伤发生,使加工表面质量和疲劳寿命难以保证。针对齿轮钢18Cr2Ni4WA磨削烧伤问题,设计SG砂轮磨削实验,研究其发生磨削烧伤时表面形貌、显微硬度的变化规律,并通过有限元仿真预测烧伤层深。研究结果表明：当砂轮速度为20.3 m/s、工件速度为0.03 m/s、磨削深度大于0.05 mm时工件发生磨削烧伤,随着磨削深度的增加,烧伤程度加重,磨削表面氧化层颜色由淡黄色转为褐色最后呈现青色,表面形貌由纹理清晰转为涂覆;工件产生回火烧伤时,产生硬度较低的回火索氏体;烧伤层深的仿真模拟值与实验测量值基本吻合,验证了有限元仿真对磨削烧伤预测的可行性。     

玻璃模压成形用微沟槽磷化镍模具的超精密切削加工

最佳邻接量是高精度加工玻璃模压成形用磷化镍镀层材料微沟槽模具的重要参数。本文提出了一种利用小角度微沟槽交叉切削技术快速确定微沟槽最佳邻接量极限范围的方法。该方法利用沟槽小角度交叉切削材料去除形式与沟槽邻接切削相近的特点,对微沟槽邻接量的极限范围进行预测。首先,以沟槽交叉角度和交叉沟槽深度为变量设定切削条件,得到多组渐变棱;然后,观测交叉渐变棱形貌并结合材料塑性变形法则与脆塑转变理论分析棱边上的材料去除状态;通过观察交叉渐变棱与沟槽邻接脊部在切削过程中去除材料的截面形貌建立二者的关系;最后,分析交叉渐变切入棱与切出棱形貌的差异,确定脆塑转变的邻接量范围。基于上述方法,观测了交叉渐变棱的形貌并进行几何计算,确定磷化镍模具微沟槽邻接切削产生脆性剥离现象的临界邻接量范围为570~720nm。利用微沟槽模具超精密切削加工实验验证了该方法的有效性,加工出了高质量模具并用于微沟槽玻璃模压成形,实现了玻璃微沟槽的精密制造。     

超声振动辅助微镦粗仿真及试验研究

为改善材料塑性,降低微镦粗成形力,延长模具寿命,提高微镦粗成形质量,开展了超声振动辅助微镦粗研究.对紫铜超声振动辅助微墩粗进行建模仿真,研究超声参数对微墩粗成形力、试件变形的作用规律;搭建超声振动辅助微成形平台并进行试验,获取不同超声功率下紫铜微镦粗成形力曲线和成形件表面形貌、尺寸等参数.仿真结果表明:超声振动使微镦粗成形力降低,试件变形增大,且成形力降低量、试件变形增大量与超声振幅成正线性关系,与超声频率成非线性正相关.试验结果表明:超声功率越大,微镦粗成形力降低值越大;超声功率小于1.5 kW,超声功率越大,成形件表面越平整;超声功率大于1.5 kW,超声功率越大,成形件表面越粗糙;超声功率小于1.8 kW,超声功率越大,成形件鼓形越小,成形越均匀;超声功率达到1.8 kW后,成形件变形集中在两端,微镦粗成形严重不均匀.仿真和试验研究表明,超声振动可以降低微镦粗成形力,加速材料塑性变形,提高微镦粗成形效率,改善成形件表面形貌,减小微镦粗鼓形并提高微镦粗均匀性.     

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。     

螺旋伞齿轮磨削残余应力分布规律及仿真分析

螺旋伞齿轮作为重型车辆传动系统的关键零部件,其表面完整性对整车机动性和可靠性起着关键作用。磨削作为齿轮最后一步加工工序,磨削过程产生的残余应力将直接影响齿轮疲劳性能。若残余应力控制不当,将导致齿轮在使用过程中过早发生疲劳失效,产生齿面疲劳点蚀和根部疲劳断裂等问题。针对重型车辆螺旋伞齿轮设计磨削试验,研究不同磨削参数下螺旋伞齿轮残余应力的分布规律;结合磨削前后齿轮残余应力的状态,获得实际磨削过程残余应力;基于力热耦合有限元仿真法计算螺旋伞齿轮磨削残余应力。研究结果表明：齿轮凸面平行磨削方向残余压应力最小,磨削过程使齿面产生拉应力而亚表层产生压应力,力热耦合有限元仿真法能有效用于螺旋伞齿轮磨削残余应力的预测和分析。     

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。     

微纳结构飞切加工与表面结构色调控

当微纳结构尺度与可见光波长尺度接近时,在白光照射下将产生特定的结构色,颜色鲜艳亮丽。结构色的色彩特性由微纳结构形状特征和周期尺度决定,其颜色鲜艳程度和亮度由微纳结构形状精度和表面质量决定。提出了一种微纳结构轴向进给飞切加工方法,通过在磷化镍（Ni-P）材料表面高效率高精度加工出微纳米尺度的"梭形沟槽",其单元特征尺寸为200～1 000 nm、表面粗糙度为7～10 nm,实现了结构色微纳结构单元和色彩特征调控;并通过加工轨迹规划和工艺参数调控,实现了结构色像素单元与单元之间的无缝拼接,最终形成大面积结构色图案的制造与调控。本技术将在结构色滤光、微纳仿生结构以及功能表面等方面中产生巨大的应用价值。