工程陶瓷高效深磨磨削力的形成机理研究

根据工程陶瓷的系统高效深磨试验,研究发现：在高效深磨条件下,磨削氧化锆和氧化铝的材料去除方式不同,分别为塑性成形去除和脆性断裂去除;最大未变形切屑厚度增大至超过临界切深后,其对氧化锆的单颗磨粒法向磨削力的线性增长规律影响很小,而使氧化铝的单颗磨粒法向磨削力的增长趋势逐渐变缓;切向磨削力主要由滑擦和塑性耕犁作用引起的摩擦力组成.     

微量润滑磨削界面的分子动力学模拟

为了研究微量润滑磨削界面的冷却润滑效应,以离子液体作为微量润滑磨削液,对微量润滑磨削界面进行了分子动力学模拟研究。分析了微量润滑磨削界面的热量分配关系,揭示了磨削界面热量的产生与传散机制,研究了磨削过程中磨削力、磨削力比以及磨粒工件之间液膜状态的变化。结果表明:离子液体雾滴在磨削界面的冷却效果显著,工件的热量分配比由干磨时的74.1%减小到微量润滑磨削时的68%～69%;磨削热主要来源于剪切变形区内工件材料发生的晶格变形,其次是磨粒与工件之间的摩擦;磨削热首先在工件基体、磨粒和切屑之间传递,然后经切屑传递给雾滴,雾滴再传递给磨粒;磨削力随未变形切屑厚度的增加而线性增大;当磨粒切入工件形成切削作用时,磨粒-工件界面和磨粒-切屑界面会产生极高的挤压应力,导致难以形成边界润滑膜。     

牙科氧化锆陶瓷微尺度磨削力研究

基于带有圆弧刃角的圆锥状磨粒形状和突出高度服从瑞利分布的假设，建立单颗磨粒未变形切削厚度数学模型.根据微磨削力的三种不同来源，以单颗磨粒为研究对象，建立磨削过程中单颗磨粒的切削变形力、耕犁力和摩擦力理论模型.结合单位面积内的磨粒数目，建立微磨削力的理论模型.切向磨削力和法向磨削力预测模型的验证结果表明:切向磨削力理论值与实验值平均误差为7.32%，最大误差小于10%；法向磨削力的平均误差为8.18%，最大误差小于20%.     

铜化学机械抛光材料去除机理的准连续介质法研究

采用准连续介质力学方法研究了铜化学机械抛光过程的机械作用材料去除机理.模拟了不同大小磨粒在单晶铜工件上的磨削过程,分析了切削过程中工件内部材料变形、切屑的形成以及工件内部应力分布和切削力变化.研究结果表明,工件内部材料沿着与切削方向约45°变形形成剪切带,在剪切带区域伴随有位错、滑移等现象产生.磨粒较小时加工后的表面质量较差,磨粒较大时加工质量较好,但会造成工件内部较大的塑性变形与更深的残余应力分布.磨粒尺寸变化对于切向切削力影响不大.     

基于不同单颗磨粒模型的微细磨削力研究

微细磨削技术能够实现硬脆材料复杂结构微小零件的高精高效低成本加工.通过深入分析微细磨削机理,考虑刃角圆弧半径的影响,建立了圆锥、球形、三棱锥、四棱锥等4种单颗磨粒切削力模型;采用VHX-1000超景深光学显微镜对Φ0.5mm、#600微磨棒表面磨粒形状进行观测分析并统计,建立了基于单一磨粒模型和基于综合磨粒模型的微细磨削力模型;在ZCuZn38上进行微细磨削试验,对比研究了微细磨削力理论计算结果与试验结果,并基于理论模型讨论了微细磨削力随工艺参数的变化规律.结果表明,单一磨粒模型微细磨削力与综合磨粒模型微细磨削力均能预测不同工艺条件下的微细磨削力,但综合模型微细磨削力的误差最小;不同磨粒模型计算得出的法向磨削力较为一致,但切向磨削力差异较大.     

磨削参数对硬质合金刀片圆弧表面锯齿的影响

为了控制硬质合金刀片圆弧刃处的表面质量,通过分析单颗磨粒与工件的接触长度和最大未变形切屑厚度的关系,建立了其磨削力学模型.基于正交试验的方法,对该硬质合金刀具进行不同磨削参数的加工实验,并采用VHX-600超景深光学显微镜等观测仪器对刀具圆弧面的锯齿深度和表面粗糙度进行观测.结合圆弧刀刃的磨削力学模型和实验加工结果,并基于锯齿成型机理分析了不同磨削参数、刀片材料以及结构等对刀片圆弧的锯齿及粗糙度的影响规律.结果表明,提高砂轮转速、降低圆弧转动速度、减小磨削深度、控制刀片材料的质量、合理设计刀片结构可以提高刀片圆弧处的表面质量,提高刀具的耐用度.砂轮磨削圆弧转动速度为24 m/s、圆弧转动速度为8 °/s、磨削深度为0.05 mm时磨削效果较佳,可以获得较小的磨削力、锯齿深度及表面粗糙度.     

钎焊金刚石砂轮磨削AA4032铝合金试验

通过磨削试验,研究钎焊金刚石砂轮磨削4032铝合金(AA4032)在不同磨削参数时的磨削特性.结果表明:磨削力和磨削表面粗糙度都随着磨削深度和工件进给速度的增加而增大,随着砂轮线速度的增加而减小;法向磨削力与切向磨削力有良好的线性关系,其力比为2.6;AA4032主要以塑性方式去除,其被加工表面由光滑区、划痕、磨屑粘附、白色析出颗粒及孔组成,表面质量随磨削速度增大而明显提高;磨削比能随单颗磨粒切削厚度(h_c,max)增大而减小,在相同h_c,max下,高速磨削有利于降低磨削能耗.     

刀具切削刃圆弧在精密切削中的作用

通过用高速摄影机对刀具切入过程的观察,本文指出刀刃钝圆半径的大小明显地影响着滑擦阶段经历时间的长短。文中比较了不同材料刀具的切薄能力和不同工件材料的可切薄性,研究了在精密切削条件下,刀刃钝圆半径对切削力、切削力比、切屑变形系数、加工硬化和鳞刺高度的影响,并建立了精密切削时的切削模型。     

磨削液参数对磨削强化表面微结构损伤的影响

针对磨削强化过程中磨削液对磨削力和磨削温度场的影响,建立非调质45钢的磨削强化过程的仿真模型,分析不同磨削液参数对工件表面温度场及加工后残余应力的影响.最后,选择不同磨削液参数对45钢工件进行平面磨削强化试验,研究加工后工件表面硬度值及其表面完整性参数.试验结果表明,工件表面微结构损伤与磨削深度有密切的联系,在磨削过程中加入一定量的磨削液能有效降低表面微结构损伤,但削弱了在工件表面上由磨削热产生的强化能力.     

平面磨削接触长度的实验研究

采用临界接触状态技术、热电偶技术和三向压电晶体测力仪分别在线测量了不同磨削工况下砂轮-工件的接触长度、磨削温度和磨削力.实验结果表明,实际接触长度远大于几何接触长度,且两者之比与磨削工况密切相关.讨论了磨削参数、砂轮、工件材料、磨削方式、磨削温度和磨削力等因素对接触长度的影响,分析了各自对接触长度的影响机理.随着磨削温度升高、磨削力增大,导致工件和砂轮的变形增大,进一步导致接触长度增大.     

轴向进给周边轮廓磨削切入阶段磨削力模型

在轴向进给周边轮廓磨削的切入阶段,磨粒与工件的接触面积在不断变化.根据单颗磨粒与工件接触横断面形状的不同,把切入阶段分为前阶段和后阶段,建立了基于磨粒与工件接触面积的单颗磨粒在两个阶段的磨削力模型.在切入阶段,切向力和法向力随着时间的增加而增加,而轴向力则先上升再下降.这一变化规律与实验结果相近,从而验证了切入阶段的磨削力模型.     

基于实体造型的球头铣刀三维铣削力仿真

提出了基于实体造型技术的复杂曲面球头铣刀三轴铣削加工过程三维铣削力仿真方法。整个系统由几何仿真模块和物理仿真模块组成。用基于UGⅡ的实体造型技术表示工件、刀具、刀具扫描体以及被切除材料实体,用分段三次NURBS曲线表示刀具切削刃,通过NURBS曲线和被切除材料实体之间的求交运算,抽取参与切削的切削刃片段。基于切削力与切屑几何之间的经验关系,用数值积分方法建立了球头铣刀三分量铣削力模型。在径向未变形切屑厚度公式的推导中,考虑了刀具进给运动的三维特点。在铣削力系数模型中,考虑了切屑厚度变化对铣削力影响的指数关系和铣刀球头部分不同位置切削微元不同切削条件的特点。实验计算表明,仿真与实测的铣削力达到了很好的一致性。     

淬 硬 轴 承 钢 锯 齿 形 切 屑 形 成 机 理

针对淬硬轴承钢在硬切削过程中产生的锯齿状切屑,建立了基于Abaqus/Explicit的正交切削热 力耦合有限元模型,仿真分析了AISI52100轴承钢在低、高速切削条件下锯齿状切屑的形成过程,其随时间变化的应力场、温度场和网格变形及其绝热剪切机理.结果表明：切削淬硬轴承钢时,首先在刀尖前方形成窄短的水平绝热剪切带;随着前刀面对工件材料的挤压作用增强,水平绝热剪切带由远离刀具的端部沿剪切平面扩展到自由表面;随着绝热剪切带的继续滑移,逐步形成了锯齿切屑而促使裂纹产生;切削速度效应加速了剪切带与自由表面交界处微裂纹的产生,并使微裂纹向刀尖扩展;第2变形区的摩擦对锯齿切屑起到了增强作用.     

滚齿切削厚度仿真计算

为了解决滚切力模型在应用中瞬时几何边界参数的提取问题,提出一种基于三维实体造型技术的滚齿切削厚度仿真计算方法.该方法考虑未变形切屑是滚刀扫掠几何实体与工件几何实体的交集,包含几何边界条件信息.首先通过布尔减运算得到未变形切屑,然后通过瞬时刀齿前刀面与切屑几何实体进行求交运算,得到包含切削范围信息的由样条曲线所构造成的CWE(cutter/workpiece engagement),进而在其上进行切削厚度的提取.该方法的实现为动态滚切力的精确预测奠定了基础.     

基于微凸体连续变形理论的结合面切向刚度模型

提出了一种包含微凸体接触过程中弹塑性过渡阶段弹性的粗糙表面切向接触刚度模型。现有粗糙表面切向接触刚度模型中只考虑微凸体完全弹性接触阶段的弹性,未考虑弹塑性过渡阶段弹性。根据微凸体变形过程中应满足的连续性条件,微凸体变形过程可以按如下划分:完全弹性阶段、弹塑性过渡阶段(包含三个不同阶段)以及完全塑性阶段,依据分形理论和Hertz接触理论,建立了计入微凸体弹塑性过渡阶段弹性的结合面切向接触刚度模型。分析与试验结果表明:考虑微凸体的弹塑性过渡阶段的切向接触刚度相比与不考虑弹塑性过渡阶段更加的符合实际接触情况。新模型的切向接触刚度随着法向载荷和较软材料的屈服强度与两材料的复合弹性模量的比值的增大而增大,还由于分形粗糙度与切向载荷的增大,该切向接触刚度会减小,并且伴随着分形维数的增大,切向接触刚度先增大后减小,即接触刚度存在一个峰值。此外,当较软材料的屈服强度与两材料的复合弹性模量的比值增大时,刚度峰值所对应的分形维数在减小。     

基于热-力耦合磨削表层残余应力的仿真分析

为研究磨削后工件表面残余应力的分布特征需要先进行磨削区温度场的分析.通过建立磨削区温度场的数学模型和传热模型,应用ANSYS分析不同磨削参数对磨削区温度场的影响,仿真结果表明磨削深度对最高温度的影响最大.结合磨削过程中产生的磨削力,用APDL程序对磨削区的热-力耦合场进行ANSYS分析,获得工件在恢复室温时磨削残余应力大小及分布状态,揭示热-力耦合情况下对磨削表面残余应力形成的影响机制.通过残余应力试验对比试验结果和仿真结果,验证了仿真方法的有效性.     

石墨烯的摩擦力和刚度关系的分子动力学模拟

采用分子动力学方法建立了基底支撑的多层石墨烯摩擦力模型,统计了不同层数石墨烯在法向载荷作用下的摩擦系数,确立了摩擦力随层数的变化关系;通过针尖吸附薄片所受的范德华力和石墨烯法向变形能与摩擦力的对应关系,得出了法向变形能和界面褶皱势是导致摩擦产生的直接原因,定量分析了界面势垒高度与法向刚度对摩擦力的贡献.结果表明:在不同载荷作用下,3层石墨烯的摩擦系数比1层的摩擦系数高36%、比2层的摩擦系数高40%,1~3层石墨烯的摩擦力均大于范德华力,且随着层数的增加摩擦力与范德华力差值增大;石墨烯层间以刚度串联方式连接,当法向载荷恒定时,3层石墨烯的法向变形能约为2层的1.5倍、1层的3倍,每层石墨烯的变形能对摩擦力的贡献相同,石墨烯摩擦力的产生是层间法向刚度与界面褶皱势刚度共同竞争作用的结果.     

磨粒几何排列对 Inconel 718 磨抛的有限元仿真研究

目的 为了提高砂带磨抛镍基合金 Inconel 718 的表面精度,避免砂带上磨屑堆积等问题,针对砂带表面磨粒 的顶端结构以及排列方式进行了分析,通过三维动力学仿真方法,研究磨抛过程中磨削力和磨屑的变化情况。 方法 开展三种尖端类型磨粒和排列间距、倾角对 Inconel 718 的磨削机理研究,先分析尖端为点型、线型、面型的磨粒磨 削过程,对比不同尖端类型磨粒的切屑形态与磨削力的大小,根据挑选出的点型尖端磨粒建立正四面体磨粒,利用 该类型磨粒建立有序与无序的金刚石多磨粒模型,通过有限元软件分析磨粒水平和竖直方向上的间隙大小以及磨 粒排布线倾角变化对磨削力和工件表面质量的影响。 结果 发现点型尖端磨粒产生的切屑呈碎屑状,更容易在多磨 粒间排出,不易堵塞砂带,且在磨削过程中所受的磨削力更小;分析发现有序排列的磨粒类型具有很大的优势,能 够提高工件表面精度,在工件表面产生大小均匀的沟槽,同时降低砂带受到的磨抛力小;发现磨削力大小会随着排 布线倾角的增加呈现先增大后减小趋势。 通过与实验对比,发现磨屑的形状会随着水平方向间隙的增大而变化, 呈现出由块状至带状到细长条状的变化规律,细长条状的磨屑更易从间隙中排出,从而达到降低磨抛力的效果。 结论 采用点型尖端磨粒和合适的磨粒排布规律能够有效提高磨抛后的工件表面精度和促进磨屑的排出,为砂带 的制造生产提供新的思路。     

电解修整精密镜面磨削工件表面形态及切屑形成理论解析

研究了硬脆材料与电解修整磨削（ＥｌｅｃｔｒｏｌｙｔｉｃＩｎＰｒｏｃｅｓＧｒｉｎｄｉｎｇ,ＥＬＩＤ）超精密镜面磨削过程中的诸多现象,特别是对工件表面微观形态进行了研究,研究结果表明超精密镜面的微刃磨削在工件表面形成的磨痕不同于普通磨削,即工件表面材料是经过微细磨料的数次碾压、剪切、位错、滑移造成表面材料质量团累积塑性损伤,脱离材料表面层而形成切屑的．建立了微细切屑的塑性损伤形成力学模型,并进行了解析,结论适用于硬脆材料的韧性（Ｄｕｃｔｉｌｅ）超精密磨削条件及研磨、抛光工艺过程．     

奥氏体不锈钢小孔钻削仿真及试验研究

基于有限变形理论、虚功原理、更新的拉格朗日公式及热弹塑性本构方程,建立了金属小孔钻削加工的热力耦合有限元模型;针对难加工材料1Cr18Ni9Ti进行了小孔钻削加工过程的模拟与试验研究;对切削加工有限元模拟中的关键技术,如材料模型、工件与切屑的分离、断裂准则以及动态网格自适应技术等进行了探讨,动态模拟了麻花钻钻孔中切屑的成形过程,其中工件采用刚塑性材料模型,刀具采用考虑了温度变化的刚性材料模型.仿真结果与试验数据吻合,表明所建立的有限元模型是正确的,可用来对钻削力、扭矩及钻削温度随进给量的变化进行有效的预测.