超高速陶瓷CBN砂轮磨损仿真研究

论文摘要

随着科技的快速发展,超高速磨削以其独有的优点成为机械加工行业一种重要的加工手段,但砂轮的磨损成为制约其发展的一项重要因素。过去人们通常利用物理实验和理论推导的方法进行砂轮磨损机理的研究,这样既浪费人力物力,也使得单纯的理论推导给人以晦涩难懂的感觉。随着计算机和有限元仿真技术的发展,将有限元仿真与实际生产相结合是一项创新的求解方法。这样不但给人以直观的感受,也使得仿真结果在一定误差允许的范围内较真实的反映出所要解决问题的答案。目前,国内将有限元仿真技术应用于超高速陶瓷CBN砂轮磨损机理研究方面,与国外相比较还处于不完善阶段。因此,在大量查阅和总结国内外关于有限元仿真法应用于超高速陶瓷CBN砂轮磨损研究的相关理论和文献的基础上,对超高速陶瓷CBN砂轮磨损特征、磨损形式和磨损原因进行了深入全面的研究,为建立磨粒磨损的数学模型和几何模型奠定了理论基础。通过分别对陶瓷CBN砂轮宏观有限元受力分析及微观下单颗磨粒的磨耗磨损和破碎磨损的有限元仿真研究,为优化磨削参数做出理论和实验依据,上述方法达到指导实际生产加工的目的。论文主要内容有以下几个部分：（1）通过对已有磨损机理的分析,建立了陶瓷CBN砂轮体积磨损量的理论公式；根据砂轮微观组织结构,构造了磨粒磨损模型,使其在最大程度上反映了磨粒不规则和随机的特点,为陶瓷CBN砂轮磨损机理仿真研究提供了模型。（2）在ANSYS/LS-DYNA中,建立了陶瓷CBN砂轮磨削过程的有限元仿真模型,动态地模拟了整体砂轮磨削、砂轮局部结构受力和局部砂轮磨料层受交变载荷的特性,通过仿真结果获得了砂轮在磨削过程中的受力分布和变形情况,为研究微观磨损情况提供了仿真前提。（3）通过对单颗磨粒进行不同仿真参数的设置,利用SPH与FEM耦合的仿真方法,对不同工况情况下磨粒磨耗磨损进行了有限元仿真,分析了磨削速度、磨削深度和工件材料对单颗磨粒体积磨损量的影响情况,统计绘制出不同工况下体积磨损量的变化曲线,并通过转换计算,推导出不同磨削参数下砂轮的使用次数,给出了较优化的磨削参数范围。（4）建立正四棱锥磨粒模型,并以相同的仿真方法对单颗磨粒进行了破碎磨损的有限元仿真,得出了不同磨削速度和不同磨削深度下破碎磨损情况,给出破碎磨损结果图和碰撞节点应力、应变曲线图,总结出了超高速磨削的最佳磨削参数,对生产实践具有一定的指导意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 超高速陶瓷CBN砂轮磨损研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 超高速陶瓷CBN砂轮磨损仿真研究现状
• 1.4 本文选题的意思和主要研究工作
• 1.4.1 本文选题的背景和意义
• 1.4.2 本文的主要研究工作
• 1.5 本章小结
• 第2章 陶瓷CBN砂轮磨损机理与单颗磨粒磨损模型建立
• 2.1 砂轮磨损特征
• 2.2 砂轮磨损形式及原因
• 2.2.1 砂轮磨损形式
• 2.2.2 砂轮磨损原因
• 2.2.3 不同磨损形式的转化
• 2.3 砂轮磨损的数学模型建立
• 2.3.1 磨损体积公式的建立
• 2.3.2 磨削力对体积磨损量的影响
• 2.3.3 磨削温度对体积磨损量的影响
• 2.4 砂轮磨损磨粒的几何模型建立
• 2.5 本章小结
• 第3章 陶瓷CBN砂轮整体磨损有限元仿真研究
• 3.1 超高速陶瓷CBN砂轮磨粒与结合剂材料的介绍
• 3.1.1 立方氮化硼材料介绍
• 3.1.2 陶瓷结合剂材料介绍
• 3.2 陶瓷CBN砂轮磨削过程受力情况有限元仿真研究
• 3.2.1 仿真实验建模与加载
• 3.2.2 仿真结果及分析
• 3.3 陶瓷CBN砂轮局部结构受力有限元仿真研究
• 3.3.1 有限元仿真实验
• 3.3.2 求解并分析结果
• 3.4 陶瓷CBN砂轮局部磨料层交变载荷受力有限元分析
• 3.4.1 有限元仿真实验
• 3.4.2 仿真结果分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 CBN砂轮单颗磨粒磨耗磨损仿真研究
• 4.1 磨耗磨损原因与特征
• 4.1.1 磨耗磨损的原因
• 4.1.2 磨耗磨损特征
• 4.2 单颗磨粒磨损机理
• 4.3 光滑粒子流体动力学方法理论基础
• 4.3.1 SPH方法的基本原理
• 4.3.2 核函数的构造
• 4.3.3 SPH执行过程
• 4.4 单颗磨粒磨耗磨损有限元仿真研究
• 4.4.1 有限元仿真建模
• 4.4.2 磨削工况设置
• 4.4.3 磨削45钢的磨粒磨损结果
• 4.4.4 磨削40CrNiMoA合金钢的磨粒磨损结果
• 4.4.5 磨削SiC的磨粒磨损结果
• 4.5 仿真结果统计与研究分析
• 4.5.1 磨削速度对单颗粒磨损体积比的影响
• 4.5.2 磨粒深度对单颗粒磨损体积比的影响
• 4.5.3 工件材料性质对单颗粒磨损体积比的影响
• 4.5.4 单颗磨粒磨损量到整体砂轮磨损量的换算
• 4.6 本章小结
• 第5章 CBN砂轮单颗磨粒破碎磨损仿真研究
• 5.1 破碎磨损特征
• 5.2 硬脆材料压痕断裂力学模型
• 5.2.1 钝压头下的压痕断裂力学模型
• 5.2.2 尖锐压头下的压痕断裂力学模型
• 5.3 硬脆材料破碎有限元仿真研究
• 5.3.1 钝压头压痕断裂有限元仿真
• 5.3.2 尖锐压头压痕断裂有限元仿真
• 5.4 单颗磨粒破碎磨损有限元仿真研究
• 5.4.1 有限元仿真建模与工况设置
• 5.4.2 仿真结果与分析
• 5.5 本章小结
• 第6章 结论与建议
• 6.1 结论
• 6.2 建议
• 参考文献
• 致谢