高速点磨削零件表面质量研究

论文摘要

国民经济的迅速发展正促进先进制造技术朝着高速、高效、高精密的方向发展。磨削加工是机械制造领域中的重要加工工艺,可获得很高的加工精度和表面质量。高速点磨削加工是一种集成了数控技术、超硬磨料技术和高速磨削技术的高效率、高柔性的加工技术。点磨削的砂轮轴线相对工件轴线在水平和垂直方向上倾斜一定角度,形成理论上的点接触。点磨削的磨削方式与普通磨削存在很大区别,具有磨削温度低、磨削力小等优点。目前国内还没有掌握其核心技术和理论,不能开发相关工艺技术。因此有必要进一步研究和开发该项技术的关键理论和工艺。零件加工后的表面质量是衡量加工工艺的重要指标。国内很少有关于点磨削质量控制的理论与技术的研究。因此本文从零件表面微观形貌创成仿真与实验研究、磨削接触区温度场分布以及不同磨削变量角下零件表面质量对疲劳强度的影响这几方面展开了对点磨削加工技术的研究。依据磨削加工零件表面形貌创成机理,建立了点磨削砂轮与工件的相互干涉模型,从运动学角度模拟点磨削加工后的零件表面微观形貌。在不同的磨削加工参数下,模拟点磨削加工的零件表面微观几何形貌,分析磨削参数对零件粗糙度的影响,并比较和分析了零件仿真表面与实际生成表面的相似处和不同点。为了进一步研究磨削变量角对零件粗糙度的影响,在不同的变量角条件下,对不同材料性能的工件进行了大量磨削实验。通过测量零件表面粗糙度和观察零件表面微观形貌,分析不同磨削变量角对零件微观几何形貌的影响程度,以及磨削不同材料时点磨削与普通磨削的不同之处。随后在选定的磨削变量角下,在不同的磨削参数下磨削工件,分析点磨削条件下各种磨削参数对零件微观形貌的影响趋势,以便优化点磨削加工工艺,控制零件质量。分析并建立点磨削热力学传递模型,运用分割和迭代的方法计算出点磨削表面温度分布的数学模型。为了更加直观的观察点磨削的温度场分布,建立了砂轮与工件相互干涉的热源传导模型,得到了点磨削温度场的三维分布图。为了分析点磨削零件表面质量对零件疲劳强度的影响,对疲劳试件在不同的磨削变量角下进行了加工。采用疲劳分析软件计算出加工后的零件在拉伸条件下的疲劳寿命。并且对疲劳试件进行了拉-拉非对称循环载荷疲劳试验,得到了不同材料和不同磨削变量角的试件断裂前的循环次数,并通过扫描电子显微镜观察了试件的断口微观形貌。综合分析了磨削变量角对不同材料零件疲劳强度的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 高速磨削技术发展概述
• 1.2.1 高速磨削技术的国外发展状况
• 1.2.2 高速磨削的国内发展状况
• 1.3 高速磨削技术特点
• 1.4 点磨削技术简介及研究现状
• 1.4.1 点磨削的技术特征
• 1.4.2 点磨削加工的特点
• 1.4.3 点磨削发展现状
• 1.5 课题的背景和研究意义
• 1.6 课题的主要研究内容
• 第2章 高速点磨削零件表面创成理论与仿真
• 2.1 零件表面形貌创成机理
• 2.2 零件表面形貌创成仿真过程
• 2.3 砂轮表面形貌仿真
• 2.3.1 砂轮模型建立的常用方法
• 2.3.2 建立砂轮初始模型
• 2.3.3 建立砂轮修整模型
• 2.3.4 砂轮形貌仿真结果
• 2.4 砂轮的磨削轨迹
• 2.4.1 普通外圆磨削单颗磨粒运动轨迹
• 2.4.2 第n颗磨粒轨迹方程
• 2.4.3 点磨削磨粒的运动轨迹方程
• 2.5 工件磨削后回弹模型
• 2.6 零件表面形貌仿真结果
• 2.6.1 砂轮线速度对零件粗糙度的影响
• 2.6.2 工件转速和切削深度对零件粗糙度的影响
• 2.6.3 砂轮修整的粗糙度影响
• 2.7 创建零件表面创成仿真界面
• 2.7.1 添加控件
• 2.7.2 编写主程序代码
• 2.8 工件表面形貌仿真的正确性分析
• 2.8.1 三维形貌分析
• 2.8.2 工件表面形貌俯视图分析
• 2.8.3 工件表面磨削轨迹分析
• 2.9 本章小结
• 第3章 点磨削工艺参数对加工表面形貌影响的实验研究
• 3.1 实验装置
• 3.1.1 实验机床
• 3.1.2 实验砂轮
• 3.1.3 实验工件及材料
• 3.1.4 测量仪器
• 3.1.5 实验条件
• 3.2 实验过程
• 3.3 实验结果与分析
• 3.3.1 磨削变量角对零件表面粗糙度的影响
• 3.3.2 进给速度对零件粗糙度的影响
• 3.3.3 切削深度对零件粗糙度的影响的影响
• 3.3.4 砂轮转速对零件粗糙度的影响
• 3.4 本章小结
• 第4章 点磨削接触区温度的理论分析与仿真
• 4.1 点磨削温度的理论分析
• 4.1.1 点磨削热量传递模型
• 4.2 点磨削温度场的理论计算
• 4.3 外圆切入磨削的温度场仿真
• 4.3.1 建立砂轮与工件干涉的几何模型
• 4.3.2 定义材料属性和单元类型并划分网格
• 4.3.3 施加载荷及边界条件并求解
• 4.3.4 仿真结果与分析
• 4.4 外圆往复磨削温度场的仿真
• 4.4.1 磨削温度场模型
• 4.4.2 磨削区温度分布仿真
• 4.4.3 仿真结果
• 4.5 本章小结
• 第5章 点磨削零件疲劳强度的仿真及试验研究
• 5.1 疲劳试件的磨削加工
• 5.1.1 疲劳试件
• 5.1.2 点磨削加工
• 5.1.3 粗糙度测量结果
• 5.2 疲劳试件的拉伸疲劳仿真
• 5.2.1 仿真流程
• 5.2.2 静力分析
• 5.2.3 疲劳试件的拉伸疲劳分析
• 5.3 疲劳试验
• 5.3.1 试验仪器
• 5.3.2 试验过程
• 5.3.3 试验结果
• 5.3.4 疲劳试件断口形貌分析
• 5.4 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