轴向超声振动辅助磨削的磨削力建模

以单颗磨粒为对象,分析轴向超声振动下磨粒的运动特性。在此基础上,将磨削力分为切屑变形力和摩擦力两部分,分别分析了轴向超声振动对切屑变形力和摩擦力的影响。在切屑变形力方面,轴向超声振动改变了磨粒运动方向与主切削方向间的夹角;在摩擦力方面,轴向超声振动降低了磨粒与工件间的摩擦因数。基于此建立了轴向超声振动辅助磨削的磨削力模型。通过对21Ni Cr Mo5H进行了轴向超声振动辅助磨削的磨削力试验,确定了模型中的常数,并验证了所建模型的正确性。建立的磨削力模型是轴向超声振动辅助磨削的磨削力预测的一种有效方法,对轴向超声振动辅助磨削机理的认识具有较大意义。     

TC4钛合金平面磨削力分析与验证

磨削力对磨削温度、砂轮磨损等有重要影响,是评判TC4钛合金磨削性能的关键指标。由于砂轮磨粒大小、形状差异以及分布的随机性,磨削过程难以定量表述,已有磨削力模型的推导大部分基于一定的假设,与实际存在偏差。通过磨屑变形力与磨粒横截面积的关系以及法向压力与压入深度的关系建立了单颗磨粒磨削力模型;基于磨屑的横截面积与工件体积去除率,建立单颗磨粒磨削力与单位宽度磨削力的联系,进一步推导出TC4钛合金的平面磨削单位宽度磨削力模型。结合实验数据,得到试验条件下的磨削力解析式。分析表明：法向磨削力的平均相对误差为4.9%,切向磨削力的平均相对误差为5.1%。     

轴向功率超声珩磨力学模型的建立及仿真

功率超声珩磨技术在发动机缸套的精密加工中能够得到较好的表面质量,其中珩磨力的大小与超声振动特点有关,是影响工件材料去除、磨削热及表面质量的重要因素之一。基于超声珩磨材料去除机理,考虑了油石表面磨粒分布规律,建立了包括材料切屑变形和磨粒与工件摩擦两种情况的超声珩磨力学模型。由力学模型仿真结果可知:功率超声珩磨磨削力与加工参数及加工过程中材料物理变化均有关,特别是材料应变率效应更加明显;在相同加工条件下,超声珩磨磨削力比普通珩磨平均降低50%以上,并且法向力与切向力比值增大,有利于材料的去除;超声振动能够减小磨粒与工件的平均动态摩擦系数,从而减小平均切向摩擦力大小,有利于提高工件表面质量;珩磨深度较主轴转速对珩磨力影响更大,当主轴转速高于620 r/min时,珩磨力开始逐渐减小。     

晶粒取向对微细加工磨削力作用机理及试验研究

微磨削加工中切削深度尺度一般小于被加工材料晶粒大小平均尺度,磨削刃作用在晶粒内部,工件材料表现为各向异性,因此,材料晶粒取向对磨削力作用较传统磨削更加显著,微磨削力的产生机理也会发生变化.为了探究晶粒取向对微细加工磨削力的作用机理,提出泰勒因子模型,量化晶粒取向对流动应力的影响,完善材料的流动应力本构模型.通过研究剪切面晶粒取向与滑移面之间的夹角以及剪切方向与滑移方向之间的夹角关系,确定激活滑移系的数量及类别,从而得到泰勒因子值.基于考虑泰勒因子模型的流动应力本构模型及平行剪切带理论,分析晶粒取向对切屑成形力作用机理并构建解析模型.通过磨棒形貌试验测量数据提取及拟合,提出新的磨棒静态磨粒密度的计算方法,进而构建动态磨粒密度模型.基于单颗磨粒磨削力模型以及磨棒动态磨粒密度模型,构建微细加工磨削力的预测模型.本模型综合考虑微磨削过程中力-热耦合效果、材料微观结构、磨棒形貌以及微磨削加工工艺,并通过微磨削试验对磨削力模型进行了验证.     

单颗粒磨削合金钢20CrMo磨削力仿真

根据单颗CBN磨粒的实际几何特征和磨削特点,CBN磨粒被简化成切头方锥形,分别建立了单颗CBN磨粒微切削合金钢20CrMo的力学模型和相应的有限元仿真模型,从微观角度分析了单颗CBN磨粒的切削成屑机理和磨削力。研究结果表明: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,但是当磨粒前角比较小时很难形成连续的磨屑;研究了磨粒速度、切削深度及前角变化对法向及切向磨削力的影响规律。     

磨削力的数学模型的研究

磨削力由切屑变形力和摩擦力构成。在这种认识的基础上,我们建立了新的磨削力的数学模型。它由两项构成,分别相应于切屑变形力和摩擦力。试验测定了磨削不同工件材料时磨削用量与磨削力之间的关系,试验结果与建立的磨削力模型相符合。从切屑变形力与摩擦力两方面分析了切向磨削力与法向磨削力的比值,大体上应在0.2～0.59范围。磨削不同工件材料时,切向磨削力与法向磨削力的比值的实测值在这个范围内,根据建立的磨削力模型,讨论了当量切削厚度的意义、高速磨削的效果等问题。     

基于ABAQUS的单颗磨粒磨削GH4169高温合金有限元分析

通过建立单颗磨粒磨削模型,采用ABAQUS软件对GH4169高温合金的磨削过程进行有限元仿真,探究单颗磨粒在不同参数下对GH4169高温合金工件磨削过程的影响。研究表明：磨粒从切入工件后到切出工件前,磨削力稳定波动,且与磨粒前角和磨削深度显著相关,切向磨削力随着磨粒前角增大而显著减小,随着磨削深度的增大而显著增大;最高磨削温度出现在磨粒切入工件的时刻,且与磨粒前角、磨削深度和磨削速度相关;磨粒前角对磨屑的形状影响显著,磨粒前角越大,磨屑越难排出,磨削速度对磨屑的形状影响较小,磨削深度影响磨屑的厚度和长度。     

基于单颗磨粒的高速外圆磨削成屑机理研究

高速磨削是解决磨削效率和磨削质量完美统一的一种可能途径,但对于高速外圆磨削机理的研究并不多见。基于切削仿真软件,构造了单颗磨粒高速外圆磨削仿真模型,对高速外圆磨削机理进行了仿真试验研究,研究结果表明:钛合金在单颗磨粒高速磨削作用下经历了滑擦→耕犁→成屑→滑擦4种状态变化;工件在磨屑形成之前,力与温度均呈上升趋势,随着工件温度的升高,磨削力出现拐点并急剧下降,成屑过程中磨削温度达到最高值时,磨削力降至最小值。     

陶瓷磨削机理

高强度陶瓷材料磨削加工的高成本限制了它的广泛应用，对磨削机理的基本了解是经济高效地加工陶瓷的技术基础。本文概述了磨谢中磨粒切削陶瓷工件材料的状况。以前，关于陶瓷磨削机理的研究绝大部分都采用“压痕断裂力学”模型近似或“切削加工”模型近似。压痕断裂力学模型是把磨粒与工件的相互作用看作理想化的小规模压痕；典型的切削加工近似则把切削力的测量和磨屑及加工表面的显微观察结合起来。这两种模型近似都为陶瓷材料的磨削机理提供了重要依据。     

钠钙玻璃微磨削表面粗糙度试验研究

针对硬脆材料钠钙玻璃进行了一系列的微尺度磨削试验研究,主要探讨不同磨削因素对工件加工表面质量的影响。从理论上探讨微尺度磨削的加工机理,研究微磨削过程中的最大未变形切屑厚度、工件的弹性恢复等对加工过程的影响。根据微尺度磨削加工的特点,选用不同的加工参数对钠钙玻璃材料进行正交试验和单因素试验,得到微磨削加工后工件表面粗糙度变化的一般规律。针对200号与500号两种磨粒微磨棒进行试验研究,得出不同加工条件与工件表面粗糙度的关系,进而确定不同加工参数对表面质量的影响规律。     

单颗磨粒高速磨削45钢和20Cr钢的研究

进行单颗磨粒高速磨削45钢和20Cr钢的试验。研究塑性隆起、面积去除比率和切屑形态,以及速度、磨削截面积对单颗磨粒磨削力的影响。基于摩擦系数的数学模型和试验结果,获得单颗磨粒磨削的摩擦系数。讨论了速度、材料和磨粒对摩擦系数的影响。     

Investigation on grinding temperature in ultrasonic vibration-assisted grinding of zirconia ceramics

The feasibility of ultrasonic vibration-assisted grinding (UVAG) in machining brittle materials, such as zirconia ceramics, has been preliminarily proved. The high temperature generated in grinding processes is a main factor responsible for thermal and surface/subsurface damage. However, there are few reports about grinding temperature for zirconia ceramics by UVAG. In this study, a grinding force model is used for the analysis of grinding temperature in UVAG based on kinematic principle of ultrasonic vibration and brittle material fracture removal mechanism. Then, the heat fluxes equation during grinding process is analyzed. And the grinding temperature model is developed based on theoretical grinding force model and heat fluxes. Finally, pilot experiments are carried out to analyze influence of vibration parameters and process parameters on UVAG temperature and verify the mathematical model. The comparison results show that ultrasonic vibration has an important influence on grinding temperature with the reduction of 10.6%. In addition, there is a good consistency between mathematical model and the experimental results. The average relative error is within 10%. Therefore, the mathematical model could be used to predict the UVAG temperature.     

Machinability of ultrasonic vibration-assisted micro-grinding in biological bone using nanolubricant

Bone grinding is an essential and vital procedure in most surgical operations. Currently, the insufficient cooling capacity of dry grinding, poor visibility of drip irrigation surgery area, and large grinding force leading to high grinding temperature are the technical bottlenecks of micro-grinding. A new micro-grinding process called ultrasonic vibration-assisted nanoparticle jet mist cooling (U-NJMC) is innovatively proposed to solve the technical problem. It combines the advantages of ultrasonic vibration (UV) and nanoparticle jet mist cooling (NJMC). Notwithstanding, the combined effect of multi parameter collaborative of U-NJMC on cooling has not been investigated. The grinding force, friction coefficient, specific grinding energy, and grinding temperature under dry, drip irrigation, UV, minimum quantity lubrication (MQL), NJMC, and U-NJMC micro-grinding were compared and analyzed. Results showed that the minimum normal grinding force and tangential grinding force of U-NJMC micro-grinding were 1.39 and 0.32 N, which were 75.1% and 82.9% less than those in dry grinding, respectively. The minimum friction coefficient and specific grinding energy were achieved using U-NJMC. Compared with dry, drip, UV, MQL, and NJMC grinding, the friction coefficient of U-NJMC was decreased by 31.3%, 17.0%, 19.0%, 9.8%, and 12.5%, respectively, and the specific grinding energy was decreased by 83.0%, 72.7%, 77.8%, 52.3%, and 64.7%, respectively. Compared with UV or NJMC alone, the grinding temperature of U-NJMC was decreased by 33.5% and 10.0%, respectively. These results showed that U-NJMC provides a novel approach for clinical surgical micro-grinding of biological bone.     

面齿轮磨削力建模与工艺影响分析

建立了碟形砂轮磨削面齿轮的理论模型.应用切斜面磨削理论,将不规则的曲面齿面等效转化为平面,结合Gleason点接触椭圆等特征,方便对磨削力进行分析求解.将砂轮上的工作磨粒数均匀划分成单颗磨粒成屑力与滑擦力个体,精确阐述砂轮在磨削面齿轮时的磨削力.经过实验结果与仿真数值的比照分析得到磨削力对磨削用量的影响参数,实验结果表明,砂轮转速与面齿轮磨削力成反比例关系,工件进给速度与磨削速度与面齿轮磨削力成正比例关系.通过磨削力的实验结果与仿真数值对比分析,可得出最大相对误差为１７.９％,此数据证明了建立的模型与实验结果较为契合,能够很好地反映磨削力与磨削用量之间的关系变化,在提高面齿轮磨削精度与工艺上提供了基础的理论依据.     

Si_3N_4陶瓷旋转超声磨削加工的表面摩擦特性

为了探索结构陶瓷材料在摩擦过程中表面形貌的变化规律及其对摩擦特性影响,分析了摩擦过程中材料的接触过程及力学关系,并对旋转超声磨削加工的Si3N4陶瓷试样开展了摩擦表面形貌、摩擦因数等特性的试验研究。首先根据接触特点和材料特性,基于分形理论推导出接触面总载荷计算公式,基于该公式建立了结构陶瓷摩擦因数分形模型。分析结果表明:当初始表面轮廓分形维数分别为1.4,1.45,1.5和1.55时,摩擦因数与摩擦后表面轮廓分形维数呈类似正态分布曲线。然后通过旋转超声磨削加工的Si3N4陶瓷试样面面接触摩擦试验,研究了摩擦后陶瓷材料表面微观形貌和摩擦因数变化规律,分析了各因素对摩擦因数的影响。试验结果表明:产生微观裂纹是Si3N4陶瓷摩擦后表面微观形貌的显著特点;温度值等于160℃是Si3N4陶瓷摩擦因数由下降转为上升的拐点;当施加载荷为360N和往复频率为80Hz时,摩擦因数最大。得到的结果为通过表面形貌控制提高结构陶瓷耐磨性能提供了技术支撑。     

高速精密磨削9CrWMn冷作模具钢的磨削力和比磨削能

分析了高速精密磨削9CrWMn冷作模具钢的机理,采用DEFORM软件对高速磨削模具钢9CrWMn过程进行了磨削力仿真。使用高精密高速平面磨床对模具钢9CrWMn进行了高速精密磨削试验,并在线测量了多种工况下的磨削力。结果表明:在其他两组工艺参数不变时,随着工件进给速度增加,磨削力特别是法向磨削力会增大近45%;法向磨削力和切向磨削力随着砂轮的线速度上升而下降,法向磨削力下降近33%;磨削深度对磨削力影响较大,大的磨削深度对法向磨削力的影响尤其显著,可使法向磨削力增大近100%。分析了磨削工艺参数对比磨削能的影响规律,结果显示:随着磨削深度和工件进给速度的增大,比磨削能呈比较明显的下降趋势,符合磨削加工中的尺寸效应;随着砂轮线速度的增大,比磨削能呈上升趋势。最后,对高速磨削前后工件表面的微观形貌进行了对比分析,磨削力试验结果和仿真理论分析相一致。     

轴向超声辅助端面磨削金属表面形貌及粗糙度预测

轴向超声辅助端面磨削被广泛应用于难加工材料加工,而磨削后的表面粗糙度对构件摩擦、疲劳等服役性能有重要影响。超声振幅的大小对轴向超声辅助端面磨削金属表面形貌和粗糙度有较大影响,但是现有模型中并未考虑实际加载对振幅的影响,因此提出了一种考虑加载状态下振幅变化的轴向超声辅助端面磨削金属表面形貌及粗糙度预测方法。根据砂轮粒度及尺寸建立了考虑磨粒随机分布的砂轮端面模型,并对轴向超声辅助端面磨削磨粒的三维磨削轨迹进行了数学描述,生成了加工后的表面三维数据矩阵并对表面粗糙数值进行了计算。在此基础上,研究了粗糙度随振幅的变化规律,提出了振幅衰减形貌映射系数这一概念,并给出了其标定方法。通过振幅衰减形貌映射系数近似计算出加载状态下的振幅并代入到所建立的轴向超声辅助端面磨削表面形貌及粗糙度预测模型中,实现了金属表面形貌模拟及粗糙度预测。最后,通过试验对所建模型的正确性进行了验证。     

机器人打磨铸钢件的效率与打磨力研究

对于给定材料与工况环境,磨削效率和砂轮磨削力只与磨削深度、砂轮线速度和工具进给速度3个因素存在直接关系,而磨削效率可由单位时间磨除材料的体积表达。基于自主设计的一套工业机器人打磨系统,针对铸钢材料通过四因素多水平正交试验法,找出了最高磨削效率下各因素的参数值,并分析了磨削参数对磨削力影响的敏感性。通过实时采集机器人关节电机和磨削工具电机的工作扭矩值,计算出砂轮在不同磨削参数下的磨削力值,并利用多元线性回归分析方法,得出针对铸钢材料的磨削力经验公式。研究内容对机器人在铸钢件磨削过程中的控制参数设定,以及磨削工具结构的进一步优化设计,提供了有益的参考。     

磨削加工质量与生产效率的综合优化研究

针对目前存在的磨削优化研究成果偏重于加工质量,而无法兼顾加工效率的不足,对磨削加工质量与生产效率的综合优化策略进行了研究,对外圆磨削的主要目标及影响因素进行了归纳,以常规工艺参数及零件技术要求为约束条件,将外圆磨削表面粗糙度模型与材料去除率模型有机结合后形成综合目标函数,提出了外圆磨削加工的非线性优化模型。以正交设计法的磨削试验数据为基础,通过序列二次规划算法对模型加以训练,预测出最优磨削用量,在给定的磨削条件下,获得最优磨削用量为:磨削深度ap=0.011 mm,工件线速度vw=30 m/min,纵向进给量f=20 mm/r。最后,通过随机选取的工艺参数对模型进行了试验验证,试验结果表明,模型最大预测误差不超过16%,预测结果可为实际工艺规程编制中选择最优工艺参数提供参考。