磨粒排布优化凸出精确可控自由型面截面砂轮制造新工艺基础研究

论文摘要

超硬磨料砂轮制造主要采用电镀、高温钎焊等方法，其实质是用物理或化学方法将磨粒固结在砂轮基体上。用电镀方法制造砂轮，把持力不强、磨粒出露高度不高、而且容易造成环境污染。高温钎焊等方法制造的砂轮节省磨料，磨粒排布和凸出高度可控，但生产工艺复杂，需先制成砂轮基体然后将磨粒钎焊在基体表面，成本高，目前只能生产单层金属结合剂金刚石砂轮。本文借鉴快速成型原理，提出了一种制造磨粒排布优化凸出精确可控自由型面截面砂轮的新方法。该方法首先按照加工要求和磨削用量条件优化设计砂轮地貌，完成CAD实体造型，接着对三维模型进行分层切片，得到轮廓信息和切片的实体信息，通过数控装置控制不同的激光装置，在当前工作层上扫描出切片的截面形状，通过工作台进给实现逐层堆积从而完成砂轮的快速成型制造。由于组成砂轮的各部分材料添加是在计算机的控制之下进行的，因此能得到任意形状的砂轮截面形状和磨粒的有序排布及磨粒理想凸出高度。本文针对新型砂轮分层制造方法展开研究，主要研究内容如下：1、详细阐述了常用的激光固化和粉末分层制造的方法与原理。重点介绍了金属材料在粉末分层制造的应用及其各种金属原型件的特性。2、研究新型砂轮分层制造的工艺，总结了磨粒结合剂的选择原则；重点介绍了金属结合剂和CBN磨粒的性质；阐述了新型砂轮制造装置的工作原理及其研究意义。3、研究单颗磨粒磨削。分析单颗磨粒运动特性，初步总结了磨粒间距与砂轮磨削特性的关系。建立了单颗磨粒磨削的有限元模型。4、分析磨粒排布方式对砂轮性能的影响，总结了设计磨粒优化排布砂轮的步骤与方法。实验研究砂轮磨削性能，测量磨削力、磨削温度与加工后表面粗糙度，并将实验结果与仿真结果进行了对比分析，证明了理论分析的正确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题背景和意义
• 1.1.1 课题的提出
• 1.1.2 研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 磨料工具研究现状
• 1.2.2 磨粒可控排布砂轮研究现状
• 1.3 主要研究内容
• 第2章 激光固化和粉末分层制造技术
• 2.1 激光固化和粉末成型技术概述
• 2.2 激光粉末分层制造成型机理分类
• 2.2.1 固相烧结
• 2.2.2 液相烧结和部分熔融
• 2.2.3 全部熔融
• 2.2.4 化学诱导成型
• 2.3 激光器
• 2.4 金属粉末材料分层制造的相关研究
• 2.4.1 固相烧结金属粉末成型零件的研究
• 2.4.2 液相烧结和部分熔融金属粉末成型零件的研究
• 2.4.3 全部熔融金属粉末成型零件的研究
• 2.4.4 化学诱导成型
• 2.5 本章小结
• 第3章 砂轮制造工艺基础研究
• 3.1 砂轮制造中磨粒的选择
• 3.1.1 磨粒的基本性质
• 3.1.2 超硬磨粒在工业中的应用
• 3.2 立方氮化硼（CBN）磨粒
• 3.2.1 立方氮化硼的基本性质
• 3.2.2 CBN磨粒的合成
• 3.2.3 CBN磨粒在磨具制造中的应用
• 3.3 结合剂的选择
• 3.3.1 结合剂概述
• 3.3.2 树脂结合剂和陶瓷结合剂
• 3.3.3 金属结合剂及其在砂轮制造中的应用
• 3.4 新型砂轮分层数字化制造方法
• 3.4.1 传统砂轮制造方法
• 3.4.2 新型砂轮分层数字化制造装置
• 3.4.3 新型砂轮制造方法的研究意义
• 3.5 本章小结
• 第4章 单颗磨粒磨削分析
• 4.1 单颗磨粒的磨削过程
• 4.1.1 单颗磨粒磨削的特点
• 4.1.2 磨粒磨削的三个阶段
• 4.2 磨粒磨削的运动学分析
• 4.2.1 单颗磨粒磨削未变形厚度分析
• 4.2.2 磨粒磨削的粗糙度分析
• 4.3 单颗磨粒磨削的有限元仿真的关键技术
• 4.3.1 材料的本构方程
• 4.3.2 材料的动态失效准则
• 4.3.3 能量耗散与热传导
• 4.4 单颗磨粒磨削有限元模型的建立
• 4.4.1 几何模型的建立
• 4.4.2 有限元分析的预处理设置
• 4.5 仿真结果分析
• 4.5.1 特定工况下单颗磨粒磨削力分析
• 4.5.2 砂轮线速度对磨削力的影响
• 4.5.3 工件进给速度与磨削力的关系
• 4.5.4 切深与磨削力（比）的关系
• 4.5.5 磨削区温度场分析
• 4.5.6 磨削区不同变形区温度分析
• 4.5.7 磨粒运动方向上温度的变化
• 4.5.8 已加工工件表层不同深度的温度分布
• 4.6 本章小结
• 第5章 磨粒优化排布与实验研究
• 5.1 磨粒优化排布
• 5.1.1 实现磨粒排布的方法
• 5.1.2 单颗磨粒排布样式
• 5.1.3 磨粒形状和凸出高度
• 5.1.4 晶体晶面与晶向指数对磨粒性能的影响
• 5.1.5 磨粒群优化排布砂轮
• 5.2 磨粒优化排布砂轮的设计
• 5.3 实验研究
• 5.3.1 实验设备
• 5.3.2 磨削力研究
• 5.3.3 表面粗糙度研究
• 5.3.4 磨削区温度测量
• 5.3.5 温度实验结果与仿真结果的对比
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及参加的科研项目
• 致谢