基于單顆磨粒切削的氮化硅陶瓷精密磨削仿真與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、工程陶瓷以其高強(qiáng)度、高硬度、耐磨、耐高溫、耐化學(xué)腐蝕等優(yōu)良性能，在工業(yè)、國防軍工和航空航天等重要領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。目前工程陶瓷等難加工材料的精密加工主要通過超硬精細(xì)磨料的精密磨削來實(shí)現(xiàn)。磨削加工過程本質(zhì)上是由大量離散分布在砂輪表面的磨粒同時(shí)與被加工材料相互作用實(shí)現(xiàn)材料去除的過程，砂輪表面每一顆磨粒對被加工材料進(jìn)行微觀切削。因此單顆磨粒切削加工的機(jī)理研究成為認(rèn)識(shí)復(fù)雜磨削加工機(jī)理的一種重要手段，砂輪表面形貌特征成為磨削過程建模與仿真、磨削過

2、程優(yōu)化不可缺少的前提條件。由于磨削加工成形機(jī)理復(fù)雜，導(dǎo)致磨削加工過程的工藝方案優(yōu)選一直是困擾制造企業(yè)的難題。為了深化和推廣工程陶瓷的應(yīng)用，必須針對工程陶瓷精密磨削機(jī)理開展深入研究。
　　本文以氮化硅陶瓷精密磨削加工為研究對象，以砂輪表面形貌檢測、單顆磨粒切削實(shí)驗(yàn)、砂輪磨削實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，利用數(shù)值仿真技術(shù)進(jìn)行砂輪表面形貌建模、單顆磨粒切削仿真、砂輪磨削仿真，進(jìn)而采用改進(jìn)遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行磨削加工工藝參數(shù)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)氮化硅陶瓷工件的高效精

3、密磨削。具體研究工作內(nèi)容包括:
　　1)建立了考慮砂輪表面磨粒的尺寸、位置、角度、出刃高度分布與修整狀態(tài)的砂輪表面形貌模型。通過金剛石砂輪表面形貌檢測后的數(shù)字化圖像處理與計(jì)數(shù)，并基于正態(tài)分布統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律表征了砂輪表面磨粒直徑、尺寸分布、等效直徑、體積密度、面積密度、平均間距等參數(shù)，選取截角八面體作為磨粒形狀建立了砂輪表面形貌模型;驗(yàn)證了砂輪修整前后砂輪表面形貌模型的正確性，可有效用于磨削仿真。
　　2)建構(gòu)了單顆磨粒切削的實(shí)驗(yàn)

4、與仿真系統(tǒng)。設(shè)計(jì)并制備了包括砂輪盤、單顆磨粒塊、平衡塊三部分的單顆磨粒切削工具，進(jìn)行了單顆磨粒切削正交實(shí)驗(yàn);采用JH-2材料本構(gòu)模型模擬氮化硅陶瓷的力學(xué)行為，選用截角八面體模擬金剛石磨粒，進(jìn)行了單顆金剛石磨粒切削氮化硅陶瓷的切削過程仿真;揭示了砂輪線速度、工件速度、切削深度對磨削力、工件表面形貌的影響規(guī)律;實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了仿真系統(tǒng)的可行性。
　　3)進(jìn)行了金剛石砂輪磨削氮化硅陶瓷的有限元仿真。將金剛石砂輪表面形貌的平面模型轉(zhuǎn)化成圓面模型

5、，根據(jù)磨削深度、磨削接觸弧長等參數(shù)動(dòng)態(tài)定義砂輪塊與工件幾何模型尺寸，進(jìn)行了金剛石砂輪塊磨削氮化硅陶瓷的仿真，分析仿真過程中氮化硅陶瓷工件的應(yīng)力、磨削力、亞表面損傷深度的變化，討論砂輪粒度、砂輪線速度、工件速度、磨削深度等工藝參數(shù)對氮化硅陶瓷工件的磨削力、亞表面損傷深度的影響規(guī)律，得出了與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較一致的結(jié)論。表明金剛石砂輪磨削氮化硅陶瓷有限元仿真是正確合理的。
　　4)建立了基于砂輪表面形貌模型與單顆磨粒切削仿真的磨削亞表面損傷深

6、度預(yù)測模型。通過金剛石砂輪塊磨削氮化硅陶瓷的有限元仿真，揭示了磨削過程中氮化硅陶瓷工件的應(yīng)力與亞表面損傷深度的關(guān)系;修正了動(dòng)態(tài)有效磨粒的未變形切削厚度計(jì)算公式，結(jié)合金剛石砂輪表面形貌模型與單顆磨粒的切削仿真建立了砂輪—磨削工藝參數(shù)—工件亞表面損傷深度之間的關(guān)系模型。
　　5)建立了磨削工藝參數(shù)與加工結(jié)果之間的優(yōu)化預(yù)測模型。從實(shí)驗(yàn)角度揭示了砂輪磨削最大未變形切削厚度與當(dāng)量磨削厚度對磨削力、表面粗糙度、亞表面損傷深度的影響規(guī)律，建立了

7、當(dāng)量磨削厚度-亞表面損傷深度的經(jīng)驗(yàn)公式;采用改進(jìn)遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，建立了金剛石砂輪磨削加工工藝參數(shù)優(yōu)化模型，實(shí)現(xiàn)了金剛石砂輪磨削氮化硅陶瓷工件的質(zhì)量預(yù)測與工藝優(yōu)化。
　　6)建立了氮化硅陶瓷球面精密磨削工藝優(yōu)化系統(tǒng)。從幾何運(yùn)動(dòng)學(xué)角度分析了氮化硅陶瓷球面廓形工件砂輪法向跟蹤精密磨削的運(yùn)動(dòng)模式、磨削接觸區(qū)域與磨削接觸弧長，采用正交實(shí)驗(yàn)揭示了砂輪粒度、砂輪半徑、砂輪線速度、進(jìn)給速度、磨削深度等工藝參數(shù)對工件表面粗糙度、亞表面損傷深度的影響規(guī)