基于不同磨粒的氮化硅陶瓷磨削特性研究

采用多颗磨粒磨削仿真和实验相结合的方式研究磨削过程的磨削力、磨削温度和已加表面形貌。对比分析了多颗磨粒和传统单颗磨粒磨削模型在磨削特性上的差异性,并对多颗磨粒磨削仿真模型进行了验证。结果表明：当磨削速度减小、磨削深度增大时,多颗/单颗磨粒仿真与实验的磨削力均增大;当磨削速度和磨削深度增大,多颗/单颗磨粒仿真与实验的磨削温度均增大;当进给速度增大时,单颗磨粒仿真的磨削力减小、磨削温度先减小后增大,多颗磨粒仿真和实验的磨削力增大、磨削温度减小;多颗磨粒磨削时的磨削力和磨削温度大于单颗磨粒磨削时的力和温度;多颗磨粒仿真后工件表面形貌与实际加工后表面形貌相符。基于多颗磨粒磨削工程陶瓷的有限元仿真模型相比于单颗磨粒模型可更好的模拟实际加工情况。     

单颗磨粒磨削实验及其数值模拟的研究进展

单颗磨粒磨削是研究复杂磨削机理的重要手段,本文从单颗磨粒磨削过程和磨粒形状的角度阐述了磨削基础理论;概述了国内外学者以实验研究单颗磨粒的材料去除、切削力行为;基于数值模拟,探讨了不同工艺参数对单颗磨粒磨削力、磨削温度、工件表面质量的影响规律。最后就这一方向的深入研究工作做了展望。     

基于多颗磨粒随机分布的虚拟砂轮建模及磨削力预测

利用VHX-600E型超景深显微镜测量了金刚石砂轮表面的磨粒分布情况,计算得到了砂轮表面的磨粒密度、真实接触弧长以及砂轮总的磨粒数和有效磨粒数。基于磨粒间隔分布假设和虚拟格子方法在虚拟砂轮端面随机分布等磨粒密度的多颗正六面体磨粒,并随机分配磨粒的位姿以模拟砂轮的真实形貌。将1/4虚拟砂轮模型导入Deform-3D软件中,建立三维虚拟磨削仿真模型,采用Lagrangian Incremental算法获得多颗磨粒的仿真磨削力值,并建立了基于多颗磨粒磨削仿真的磨削力预测模型。通过金刚石砂轮端面磨削硬质合金刀片的实验,比较了实测磨削力与预测磨削力;仿真与实验结果具有一致性,证明了采用本方法建立的多颗磨粒虚拟磨削仿真模型可以用于磨削力预测,为多颗磨粒共同磨削的磨削力研究提供了新的思路。     

氮化硅陶瓷切削仿真与实验

针对金刚石砂轮磨粒尺寸、形状的不规则性和空间位置不确定性的特点,采用球坐标中随机点产生的空间平面切分实体和截角多面体相结合的方法,并考虑氮化硅陶瓷工件的磨削亚表面形貌和裂纹损伤,建立了截角多面体磨粒和含有典型裂纹的工件模型。进行单颗磨粒切削氮化硅陶瓷的有限元仿真和实验,结果表明:磨削加工和数值仿真的磨削力值变化趋势相同,差值小于8%,切削力随砂轮转速增大而减小、随工件速度和切削深度增大而增大,而切削深度对切削力的影响程度最大。     

旋转条件下SiC 单晶片锯切力建模研究

通过理论分析和实验研究相结合的方法,对工件旋转条件下电镀金刚石线锯切割SiC单晶片锯切力进行了分析.依据磨削和动态切削理论,分析了线锯与工件运动模型、单颗金刚石磨粒的切向和法向锯切力,建立了金刚石线锯锯切力模型;进行了工件旋转条件下SiC单晶切割实验,对理论分析结果进行验证,重点对线锯速率、工件进给速率、工件旋转速率及工件未切割直径等工艺因素对切向锯切力的影响进行分析.结果表明理论分析和实验结果相对误差不大于5.2％,验证了所建模型的正确性,为探索SiC单晶片的切削机理和参数优化提供依据.     

超声ELID 复合磨削磨削力模型研究

以ELID 电解原理为基础,结合超声振动辅助磨削过程中单颗磨粒的运动学分析,建立了超声 ELID 复合磨削条件下的磨削力数学解析模型,并对模型进行了分析和仿真。对模型的分析表明:超声振动改 变了磨粒的运动轨迹,使同等条件下的未变形切屑厚度减小,砂轮的在线电解修整使磨粒始终处于锋锐状态, 而且影响砂轮的实际切削深度,进而对磨削力产生影响。磨削力随着超声振动频率、振幅、电解电压、脉冲比、 电解液电阻率的增大而减小;随着切削深度、工件速度的增大而增大。     

基于单颗金刚石磨粒磨削的SiCp/Al复合材料仿真与试验研究

本文主要开展了单颗金刚石磨粒磨削碳化硅颗粒增强铝基(SiC_p/Al)复合材料的试验及三维有限元仿真研究。分析了SiC_p/Al复合材料磨削过程中磨削工艺参数对磨削力及表面形貌等的影响。分析结果表明,随着磨粒转速的增加,磨削力减小,SiC颗粒破碎现象有所缓解,铝基体的涂覆作用增强,表面形貌完整性好;随着磨削深度的增加,磨削力增大,SiC颗粒破碎明显增强,表面形成较多凹坑与孔洞,表面质量差。仿真结果与试验结果较吻合,说明该仿真模型可用于磨削工艺参数的优化分析。     

颗粒增强钛基复材缓进深切磨削加工研究

颗粒增强钛基复合材料(PTMCs)属于典型的难加工材料,在航空航天领域具有广阔应用前景.本文开展了PTMCs材料的缓进深切磨削研究,揭示了磨削用量和磨削方式(顺磨与逆磨)对磨削力与磨削温度的影响规律,同时利用有限元法分析了磨削温度场特征和材料去除机理.研究发现,缓进深切磨削PTMCs时,磨削力随工件进给速度和切深增加而增加,顺磨时的磨削力比逆磨大10％～20％,而顺磨的磨削温度要比逆磨约低10％.由于逆磨和顺磨工件的温度分布不同,当切深大于0.6mm、工件进给速度大于400mm/min时,顺磨比逆磨更易发生烧伤.在此基础上,提出了顺磨与逆磨条件下磨削温度场仿真计算的不同热源模型与边界条件,分别获得了两种磨削方式的温度分布特征,有限元仿真结果与试验结果相符.颗粒增强钛基复材磨削表面典型加工缺陷是表面涂覆和硬脆增强相破碎和拔出导致的孔洞,单颗磨粒切厚对硬脆增强相的去除行为有显著的影响.     

垂直磨削中磨削参数对磨削痕迹分布的影响

针对垂直磨削中磨削痕迹分布规律不明晰而使得磨削表面质量难以准确控制的问题,开展垂直磨削中磨削参数对磨削痕迹分布规律影响的研究。依据单颗磨粒磨削痕迹分布方程、仿真分析和探讨了砂轮转速、工件转速、进给速度、转速比和相移对磨削痕迹分布的影响,基于磨削参数对磨削痕迹分布和残留高度的影响,优选出了磨削痕迹分布相对合理的磨削参数组合,并进行磨削加工对比实验。结果表明,垂直磨削法中,磨削参数通过改变磨削痕迹的长度、间距、数量、位置关系和分布情况等影响磨削后工件的表面质量。其中,相移的大小会影响磨削痕迹的首尾相接与相互错开情况,直接决定着磨削纹理的形成与否,进而成为影响磨削后工件表面质量的关键因素;此外,尽管磨削参数中工件转速相差很小,但磨削痕迹分布状况会出现显著的差异,进而导致工件表面纹理和破碎情况显著不同及表面粗糙度Ra存在59~125 nm的差距。因此,基于磨削参数对磨削痕迹分布的影响,合理的匹配磨削加工参数可大幅提高工件表面质量。     

磨削钛合金的磨削力数学模型

本文以磨削钛合金的粘附现象为基础,分析了磨削力与粘附面积百分率间的关系,并导出了磨削力数学模型。该模型计及由于切削工件材料而产生的力以及由于粘到工作磨粒上的工件材料与工件相互接触而产生的力。试验结果证明该模型对钛合金磨削是适用的。     

Prediction on grinding force during grinding powder metallurgy nickel-based superalloy FGH96 with electroplated CBN abrasive wheel

In this article, a grinding force model, which is on the basis of cutting process of single abrasive grains combined with the method of theoretical derivation and empirical formula by analyzing the formation mechanism of grinding force, was established. Three key factors have been taken into accounts in this model, such as the contact friction force between abrasive grains and materials, the plastic deformation of material in the process of abrasive plowing, and the shear strain effect of material during the process of cutting chips formation. The model was finally validated by the orthogonal grinding experiment of powder metallurgy nickel-based superalloy FGH96 by using the electroplated CBN abrasive wheel. Grinding force values of prediction and experiment were in good consistency. The errors of tangential grinding force and normal grinding force were 9.8% and 13.6%, respectively. The contributions of sliding force, plowing force and chip formation force were also analyzed. In addition, the tangential forces of sliding, plowing and chip formation are 14%, 19% and 11% of the normal forces on average, respectively. The pro-posed grinding force model is not only in favor of optimizing the grinding parameters and improving grinding efficiency, but also contributes to study some other grinding subjects (e.g. abrasive wheel wear, grinding heat, residual stress).     

振动辅助抛光的原理分析与实验研究

首先从理论上分析了振动辅助抛光的加工过程,通过建立单颗磨粒冲击工件的数学模型,分析了振动参数变化引起硬脆材料的塑-脆去除方式转变机制。采用LY-DYNA软件对球形和锥形磨粒冲击工件的仿真分析结果表明：随着振动参数的增强,磨粒切入深度增加,达到临界切削深度后产生裂纹脆性去除,从而能够实现工件材料的额外去除。在实验平台上开展的径向振动抛光实验结果表明：引入振动后抛光去除效率显著提升,证明了理论分析的正确性。     

缓磨烧伤过程的计算机仿真研究

在关于缓磨时的磨削热 ,接触弧区换热过程以及工件表层非稳态温度场的深入研究的基础上 ,构造了一可用于计算缓磨烧伤前后工件表层温度场畸变历程的数学模型 ,并据此完成了关于缓磨烧伤过程的计算机仿真研究 ,仿真结果与实际吻合良好 ,它率先阐明了缓磨烧伤的热机理并且证明了缓磨烧伤是一具有明显前兆特征的典型渐变过程     

Interference mechanism and damage accumulation in high-speed cross scratches on hard brittle materials

Precision and low damage grinding of aviation optical elements can effectively improve the overall processing efficiency. The mechanism of high-speed cross scuffing of multiple abrasive particles has become an important factor affecting the forming quality of workpiece. Interaction of abrasive trajectory determines machined surface and subsurface morphology and damage.According to the relative motion trajectory of wear particles on the workpiece surface, a theoretical model of the trochoidal tra...     

基于线接触的回转二次曲面加工仿真研究

根据线接触加工回转二次曲面基本原理,建立基于磨粒磨损理论的线接触加工过程仿真模型,给出仿真流程并分析仿真过程各项参数的选取方法,最后基于此模型来研究加工参数如磨粒大小、工件初始面形和刀具初始面形对加工结果的影响,仿真结果表明工件和刀具初始面形对加工结果没有影响。     

新型刚玉砂轮磨削GH4169镍基高温合金的性能评价研究

镍基高温合金是航空发动机部件的常用材料,其磨削加工存在工具损耗严重、寿命短等难题。针对3种新研制的刚玉砂轮(分别为粒度60#的微晶和单晶混合磨料砂轮、粒度60#的单晶刚玉砂轮,以及粒度70#的单晶刚玉砂轮),开展了GH4169镍基高温合金材料的磨削试验,从磨削力、磨削温度、砂轮磨损以及表面粗糙度等方面对3种砂轮的磨削性能进行了评价。结果表明,3种砂轮磨削GH4169材料在砂轮磨损和表面粗糙度方面未表现出明显差异,而通过对磨削力和磨削温度的综合评价发现粒度60#的单晶刚玉砂轮的磨削性能更优。3种砂轮磨削GH4169材料的磨削比在0.5~3之间。在正常磨削条件下,3种砂轮的磨削表面粗糙度Ra小于0.4μm。同时发现,砂轮磨损(主要包括磨粒的破碎和脱落)是造成磨削表面缺陷形成的重要原因。     

Grinding force and surface quality in creep feed profile grinding of turbine blade root of nickel-based superalloy with microcrystalline alumina abrasive wheels

Creep feed profile grinding of the fir-tree blade root forms of single crystal nickel-based superalloy was conducted using microcrystalline alumina abrasive wheels in the present study. The grinding force and the surface quality in terms of surface topography, subsurface microstructure, microhardness and residual stress obtained under different grinding conditions were evaluated comparatively. Experimental results indicated that the grinding force was influenced significantly by the competing predominance between the grinding parameters and the cross-sectional root workpiece profile. In addition, the root workpiece surface, including the root peak and valley regions, was produced with the large difference in surface quality due to the nonuniform grinding loads along the root workpiece profile in normal section. Detailed results showed that the surface roughness, subsurface plastic deformation and work hardening level of the root valley region were higher by up to 25%, 20% and 7% in average than those obtained in the root peak region, respectively, in the current investigation. Finally, the superior parameters were recommended in the creep feed profile grinding of the fir-tree blade root forms. This study is helpful to provide industry guidance to optimize the machining process for the high-valued parts with complicated profiles.