砂轮约束磨粒喷射精密光整加工机理及表面特性的研究

论文摘要

普通磨削由于磨削高温、反复碾压产生的工件表层材料过度变形、微裂纹、残余应力和表面层污染等，在工件上形成表面缺陷层，同时表面粗糙度和波纹度也较大。这将影响零件疲劳强度、抗蚀性和接触刚度等使用要求。重要零件需要在磨削后进行去除表面缺陷层、降低粗糙度和波纹度的微去除加工，但这增加了工序并需要特殊设备，给生产造成不便，增加了加工时间和生产成本。本文创新提出一种在磨床上进行的磨粒喷射精密光整加工新方法。该方法在磨削后停止砂轮切入进给，将磨料混合液注入磨削区，借助砂轮旋转和楔形区挤压流体的压力速度场使微细磨粒获得能量，实现对工件进行有边界约束的微去除加工。研究表明，该加工方法既保持或获得高的表面形状精度，又可以高效地获得具有粗糙度Ra0.15～1.6μm的无缺陷加工表面，实现高效、高精度、低粗糙度，并且磨削和抛光可以集成的表面精密光整加工。本文对砂轮约束磨粒喷射精密光整加工机理及表面特性进行了较系统的理论和实验研究，取得了若干有价值的研究成果。总结全文，本论文的工作包括如下几个方面： （1）阐述了光整加工技术在机械制造中的作用，光整加工技术的分类、特点和发展方向，重点论述了游离磨粒精密光整加工技术的性能特点以及国内外发展方向，论述了本课题的背景及意义。 （2）根据Navier-Stokes方程和流体流动的连续性方程，建立了砂轮约束磨粒喷射精密光整加工中砂轮、工件楔形接触区流体动压力的三维数学模型并进行仿真研究，研究了楔形区流体动压力的分布规律及其影响因素。对砂轮与工件之间楔形区域形成的流体动压力进行了实验研究，实验结果表明，依据Navier-Stokes方程和流体流动的连续性方程建立的动压力理论模型与实验结果吻合，理论模型能很好的预测接触区流体压力场分布。 （3）建立了砂轮、工件楔形区流体速度场模型，研究了楔形区流体速度场的分布规律及其影响因素。研究了磨粒速度与磨料液流速度之间的关系。 （4）基于磨粒特征尺寸与砂轮、工件之间液膜厚度比值变化，研究了砂轮约束磨粒喷射精密光整加工材料去除机理，即：两体研磨加工，三体抛光加工，磨粒喷射加工，流体动压力剪切加工以及化学机械加工等加工模式的集成。分

论文目录

• 独创性声明
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• 中文摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 光整加工技术在机械制造中的重要作用
• 1.2 光整加工技术分类
• 1.3 零件光整加工主要目的
• 1.4 零件表面光整加工的主要特点
• 1.5 光整加工技术发展方向
• 1.6 精密光整加工方法
• 1.6.1 固结磨粒加工
• 1.6.1.1 精密和超精密砂轮磨削
• 1.6.1.2 精密和超精密砂带磨削
• 1.6.2 游离磨粒加工
• 1.6.2.1 研磨和抛光
• 1.6.2.2 磁粒光整加工
• 1.6.2.3 磁力悬浮研磨
• 1.6.2.4 磁性流体研磨
• 1.6.2.5 磁流变抛光
• 1.6.2.6 磨料流加工
• 1.6.2.7 磨粒喷射加工
• 1.6.2.8 弹性发射加工
• 1.6.2.9 动压浮起平面研磨
• 1.6.2.10 浮动抛光
• 1.6.2.11 水合抛光
• 1.6.2.12 化学机械抛光
• 1.7 精密光整加工存在的主要问题
• 1.8 微细磨粒喷射光整加工技术的发展及研究现状
• 1.8.1 微细磨粒喷射光整加工技术的发展
• 1.8.2 微细磨粒喷射光整加工技术的研究现状
• 1.8.2.1 材料去除模型的建立
• 1.8.2.2 主要影响参数
• 1.8.3 微细磨粒喷射光整加工发展趋势
• 1.9 弹性发射加工技术的发展及研究现状
• 1.9.1 弹性发射加工技术的发展
• 1.9.2 弹性发射加工技术的研究现状
• 1.10 课题研究的背景及意义
• 1.11 本论文的主要研究工作
• 第2章 砂轮／工件楔形接触区磨料流体压力场理论建模与仿真
• 2.1 引言
• 2.2 接触区流体压力场数学模型
• 2.3 膜厚方程
• 2.4 边界条件
• 2.5 模型仿真
• 2.5.1 砂轮速度对接触区流体动压力的影响
• 0对流体动压力的影响'>2.5.2 砂轮与工件最小间隙h₀对流体动压力的影响
• 2.5.3 砂轮直径对流体动压力的影响
• 2.5.4 压力场矢量分布
• 2.6 流体动压力实验研究
• 2.6.1 实验装置和条件
• 2.6.2 实验结果与分析
• 2.7 本章小结
• 第3章 流体速度场及磨粒的运动分析
• 3.1 引言
• 3.2 流体速度场建模
• 3.3 流体速度场仿真研究
• 3.3.1 流体速度在x方向变化
• 3.3.2 流体速度在y方向变化
• 3.3.3 流体速度在z方向变化
• 3.4 磨粒速度和磨料流体速度之间的关系
• 3.5 磨粒在磨料流体运动分析
• 3.5.1 几点假设
• 3.5.2 磨粒在流体拖曳力作用下的运动轨迹
• 0值之间的关系'>3.5.3 和工件碰撞的磨粒数和h₀值之间的关系
• 3.6 磨料射流的几何特征
• 3.7 本章小结
• 第4章 砂轮约束磨粒喷射精密光整加工材料去除机理研究
• 4.1 引言
• 4.2 材料去除机理分析
• 4.2.1 工艺实现
• 4.2.2 两体研磨加工
• 4.2.3 三体抛光加工
• 4.2.4 磨粒冲击去除材料
• 4.2.5 磨粒剪切去除材料
• 4.3 两体研磨与三体抛光加工模式磨粒运动特点分析
• 4.3.1 磨粒形状特征描述
• 4.3.2 两体加工磨粒运动特点分析
• 4.3.3 三体加工磨粒运动特点分析
• 4.4 两体研磨向三体抛光加工转变的临界条件
• 4.5 磨粒喷射加工实验
• 4.5.1 实验装置
• 4.5.2 实验条件
• 4.5.3 实验结果分析
• 4.5.3.1 不同加工模式表面形貌对比
• 4.5.3.2 磨粒磨损
• 4.6 本章小结
• 第5章 砂轮约束磨粒喷射精密光整加工材料去除模型研究
• 5.1 引言
• 5.2 单颗磨粒的材料去除模型
• 5.2.1 两体研磨加工单颗磨粒材料去除模型
• 5.2.2 三体抛光加工单颗磨粒材料去除模型
• 5.2.3 单颗磨粒喷射加工材料去除模型
• 5.2.4 流体动压力剪切去除材料模型
• 5.3 磨削区有效活动磨粒数模型
• 5.4 材料去除模型
• 5.5 实验
• 5.5.1 实验磨料
• 5.5.1.1 磨料类型
• 5.5.1.2 磨料粒度
• 5.5.2 磨料运载流体
• 5.5.3 实验工件材料
• 5.5.4 实验装置
• 5.5.5 实验条件
• 5.5.6 结果分析与讨论
• 5.6 本章小结
• 第6章 砂轮约束磨粒喷射精密光整加工工艺特性研究
• 6.1 引言
• 6.2 有效性的实验验证
• 6.2.1 磨料
• 6.2.2 流体介质
• 6.2.3 工件
• 6.2.4 实验条件
• 6.2.5 实验装置
• 6.2.6 实验结果与讨论
• 6.2.6.1 表面微观几何参数对比
• 6.2.6.2 表面微观形貌分析
• 6.3 工艺特性研究
• 6.3.1 磨粒尺寸对表面粗糙度的影响
• 6.3.2 磨料流体浓度对表面粗糙度的影响
• 6.3.3 加工循环对表面粗糙度的影响
• 6.3.4 砂轮速度对表面粗糙度的影响
• 6.3.5 流体性质对表面粗糙度的影响
• 6.3.6 磨料种类对表面粗糙度的影响
• 6.4 本章小结
• 第7章 磨粒喷射精密光整加工表面特性的研究
• 7.1 喷射加工表面特性及其评价
• 7.1.1 零件表面几何特性的评价
• 7.1.1.1 表面粗糙度的评价
• 7.1.2 表面物理力学性能的评价
• 7.1.2.1 表面层的加工硬化
• 7.1.2.2 表面层金相组织的变化
• 7.1.2.3 残余应力
• 7.2 磨粒喷射精密光整加工零件表面特性分析
• 7.2.1 表面微观形貌分析
• 7.2.1.1 磨粒喷射精密光整加工表面自相关分析
• 7.2.1.2 磨粒喷射精密光整加工表面功率谱分析
• 7.2.1.3 磨粒喷射精密光整加工表面互相关性分析
• 7.2.2 表面摩擦磨损特性
• 7.2.2.1 表面特性对摩擦和磨损的影响
• 7.2.2.2 摩擦磨损试验
• 7.2.2.3 表面特性对摩擦系数的影响
• 7.2.2.4 表面特性对磨损的影响
• 7.2.3 表面耐腐蚀特性
• 7.2.3.1 表面特性对耐腐蚀性能的影响
• 7.2.3.2 腐蚀试验
• 7.2.3.3 表面耐腐蚀特性
• 7.2.4 表面质量对疲劳强度的影响
• 7.2.5 表面特性对精度保持性的影响
• 7.2.6 表面特性对接触刚度的影响
• 7.2.7 表面特性对粘附性能的影响
• 7.3 本章小结
• 第8章 结论与建议
• 8.1 结论
• 8.2 建议
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介
• 攻读博士学位期间发表的学术论文、参加的科研项目及发明专利项目