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外圆磨削磨粒喷射加工机理及表面特性研究

作　者: 刘枫
导　师: 巩亚东
学　校: 东北大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 外圆磨削 砂轮约束 磨粒喷射 材料去除机理 表面特性
分类号: TG580.631
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


传统的外圆磨削中,由于磨削高温使工件表层材料出现缺陷,例如：微裂纹、残余拉应力和表面烧伤等,同时表面的粗糙度和波纹度也较大,这将影响零件的疲劳强度、抗蚀性和接触刚度。因此,重要零件在磨削加工后需要去除表面缺陷层、进行降低粗糙度和波纹度的光整加工。外圆磨削磨粒喷射加工是重要零件在磨削加工后进行去除表面缺陷层、降低粗糙度和波纹度为目的的光整加工新工艺。该工艺是在工件完成磨削后,砂轮停止切入进给,并将磨料混合液注入外圆磨削的楔形接触区。由于砂轮高速旋转,当磨料流体注入砂轮与工件之间的楔形间隙时,就形成了流体动压现象,产生了速度场及压力场。磨料在砂轮约束下获得压力和速度,从而对工件表面进行微去除光整加工实验研究表明,该加工方法既可以保持高的表面形状精度,又可以高效地获得粗糙度Rα。0.19-0.6μm的无缺陷外圆加工表面,实现高效、高精度、低粗糙度,并且可以将磨削和抛光集成的表面精密光整加工。本文以外圆磨削楔形接触区流体场为核心,围绕磨料流体压力场、速度场的建模与仿真和材料去除机理以及工件表面特性等进行了系统的基础性理论和实验研究。本文的主要研究工作包括以下几个方面：(1)论述了国内外光整加工技术的发展概况,以及光整加工技术的实际应用和最新成就。论述了光整加工技术在机械制造中的重要作用,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发展方向,阐述了本课题的背景及意义。(2)依据Navier-Stokes方程和流体流动的连续性方程建立了外圆磨削砂轮与工件之间楔形接触区流体动压力的三维数学模型,结合流体力学和仿真技术,利用Matlab软件,对三维流体压力场进行了计算机模拟和仿真研究。研究了楔形接触区流体动压力的分布规律及其影响因素,其仿真结果与实验结果相接近,为磨削楔形接触区流体压力场的仿真研究提供了方法。(3)建立了外圆磨削砂轮与工件之间楔形接触区的流体速度场模型,利用Fluent软件,对二维、三维流体速度场进行了计算机模拟和仿真,研究了楔形接触区流体速度场的分布规律及其影响因素。其次研究了单颗、多颗磨粒在楔形接触区的运动轨迹,以及磨粒的释放位置对运动轨迹的影响。最后研究了磨粒在运动过程中随时间的分布规律和磨粒在楔形接触区不同位置的分布情况。(4)基于磨粒特征尺寸与砂轮和工件之间最小间隙的比值变化,研究了外圆磨削砂轮约束磨粒喷射加工的材料去除机理,即：两体研磨加工和三体冲蚀加工模式的集成。运用概率统计的方法,建立了楔形接触区有效活动磨粒数的数学模型；依据单颗磨粒的材料去除模型和实际参加光整加工的有效磨粒数模型,建立了工件表面材料去除率模型。在外圆磨床上进行了磨粒喷射加工材料去除的实验研究,通过实验结果验证了工件材料去除率的理论模型。(5)对外圆磨削砂轮约束磨粒喷射加工表面微观形貌进行分析,研究了工件表面的尖峰去除机理和波纹度的均化、改善机理。利用外圆磨床MB1332A对45钢进行磨粒喷射加工实验,用表面轮廓仪对加工前后的工件表面进行微观几何参数测量,并用SEM扫描电镜观察表面微观形貌变化。实验结果表明,随着喷射加工时间的增加,表面微观形貌由方向一致的沟槽过渡到随机的、无方向性的微细凹坑,工件表面网纹交错,表面粗糙度值明显降低。(6)通过运用自相关函数、功率谱密度函数、互相关函数以及傅立叶谱对磨削加工和磨粒喷射加工外圆表面轮廓进行相关性及谱分析。(7)对外圆磨削磨粒喷射加工表面进行物理力学性能的评价,研究了光整加工前后工件表面特性对摩擦磨损性能、耐腐蚀性能和金相组织等的影响。并应用分形维数对磨削表面和磨粒喷射加工表面进行辅助性的分析。(8)通过对平面磨削和外圆磨削砂轮约束磨粒喷射加工楔形接触区压力场、速度场、以及工件表面质量等方面的对比,揭示了光整加工平面工件和外圆工件的差异,讨论了此工艺对加工平面工件的可行性。(9)总结了论文工作,并提出了探索性的建议。

全文目录


摘要  6-8
Abstract  8-16
第1章 绪论  16-38
  1.1 光整加工技术及其重要作用  16-18
  1.2 光整加工技术分类  18-19
  1.3 零件光整加工主要目的及特点  19-20
  1.4 光整加工技术发展方向  20
  1.5 精密光整加工方法  20-33
    1.5.1 固结磨粒加工  20-22
      1.5.1.1 精密和超精密砂轮磨削  21
      1.5.1.2 精密和超精密砂带磨削  21
      1.5.1.3 延展性(Ductile)磨削  21
      1.5.1.4 在线电解修整磨削(ELID)  21-22
      1.5.1.5 固着磨料抛光  22
    1.5.2 无磨粒加工  22-25
      1.5.2.1 水合抛光  22-23
      1.5.2.2 无磨料低温抛光  23
      1.5.2.3 离子束抛光  23-24
      1.5.2.4 等离子体辅助抛光  24
      1.5.2.5 激光抛光  24-25
    1.5.3 游离磨粒加工  25-33
      1.5.3.1 传统的研磨和抛光  25-26
      1.5.3.2 浴法抛光  26-27
      1.5.3.3 浮法抛光  27
      1.5.3.4 磁力悬浮研磨  27-28
      1.5.3.5 磁性流体研磨  28-29
      1.5.3.6 磁粒光整加工  29
      1.5.3.7 磨料流加工  29
      1.5.3.8 磁流变抛光  29-30
      1.5.3.9 磨粒喷射加工  30-32
      1.5.3.10 弹性发射加工  32-33
      1.5.3.11 化学机械抛光  33
  1.6 精密光整加工存在的主要问题  33-34
  1.7 磨粒喷射光整加工技术的发展趋势  34-35
  1.8 课题的研究背景及意义  35-36
  1.9 本论文的主要研究工作  36-38
第2章 砂轮与工件之间楔形接触区磨料流体压力场建模与仿真  38-52
  2.1 引言  38
  2.2 楔形接触区流体动压效应  38-39
  2.3 楔形接触区流体压力场数学模型  39-44
    2.3.1 楔形接触区雷诺方程  39-41
    2.3.2 楔形接触区流体膜厚方程  41-43
    2.3.3 楔形接触区流体动压力理论模型  43-44
    2.3.4 外圆磨削楔形接触区流体动压力理论模型  44
  2.4 边界条件  44-45
  2.5 模型仿真  45-51
    2.5.1 砂轮线速度对楔形接触区流体动压力的影响  45-46
    2.5.2 砂轮与工件最小间隙h_0对楔形接触区流体动压力的影响  46-47
    2.5.3 砂轮直径对楔形接触区流体动压力的影响  47-49
    2.5.4 砂轮宽度对楔形接触区流体动压力的影响  49-50
    2.5.5 楔形接触区流体压力场矢量分布  50-51
  2.6 本章小结  51-52
第3章 外圆磨削楔形接触区磨料流体速度场分布及磨粒运动轨迹分析  52-72
  3.1 引言  52
  3.2 楔形接触区流体速度场数学模型  52-54
  3.3 楔形接触区流体速度场仿真  54-71
    3.3.1 FLUENT有限元软件的基本结构及应用领域  54
    3.3.2 FLUENT软件的求解流程  54-56
    3.3.3 FLUENT的网格划分和边界条件  56-58
      3.3.3.1 网格的划分  56-57
      3.3.3.2 边界条件  57-58
    3.3.4 楔形接触区二维流体速度场模型仿真  58-63
      3.3.4.1 砂轮与工件之间最小间隙h_0对楔形接触区流体速度场的影响  58-61
      3.3.4.2 磨料流体初始速度对楔形接触区流体速度场的影响  61-62
      3.3.4.3 砂轮速度对楔形接触区流体速度场的影响  62-63
    3.3.5 楔形接触区三维流体速度场模型仿真  63-68
      3.3.5.1 楔形接触区三维流体场边界值初始化  63-64
      3.3.5.2 楔形接触区三维流体速度场分布与仿真  64-66
      3.3.5.3 楔形接触区三维流体速度矢量场仿真  66-68
    3.3.6 楔形接触区三维流体场磨粒运动轨迹仿真  68-71
  3.4 本章小结  71-72
第4章 外圆磨削砂轮约束磨粒喷射加工材料去除机理研究  72-86
  4.1 引言  72-73
  4.2 单颗磨粒的材料去除模型  73-81
    4.2.1 两体研磨加工单颗磨粒运动分析  73-76
    4.2.2 两体研磨加工单颗磨粒材料去除模型  76-77
    4.2.3 三体冲蚀加工单颗磨粒运动分析  77-79
    4.2.4 三体冲蚀加工单颗磨粒材料去除模型  79-81
  4.3 磨削区有效活动磨粒数模型及材料去除率模型  81-82
  4.4 外圆磨削砂轮约束磨粒喷射加工机理实验研究  82-85
    4.4.1 试验装置与条件  82
    4.4.2 磨粒分布与材料去除率分析  82-84
    4.4.3 磨粒磨损分析  84
    4.4.4 工件表面三维形貌分析  84-85
  4.5 本章小结  85-86
第5章 外圆磨削砂轮约束磨粒喷射加工实验及工艺特性研究  86-114
  5.1 引言  86-87
  5.2 外圆磨削砂轮约束磨粒喷射加工实验  87-93
    5.2.1 实验装置  87-88
    5.2.2 主要实验参数及选择  88-93
      5.2.2.1 磨料类型  88-90
      5.2.2.2 磨料粒度  90-91
      5.2.2.3 磨料运载流体  91-92
      5.2.2.4 工件材料  92
      5.2.2.5 磨粒喷射加工时间  92-93
      5.2.2.6 实验条件  93
  5.3 工件表面三维形貌分析  93-99
  5.4 工件表面几何特性及评价  99-113
    5.4.1 表面形貌的几何分类  99-100
    5.4.2 评定基准和参数  100-101
    5.4.3 表面粗糙度评定参数  101-113
      5.4.3.1 轮廓算术平均偏差S_a  101-107
      5.4.3.2 轮廓均方根偏差S_q  107-113
  5.5 本章小结  113-114
第6章 外圆磨削砂轮约束磨粒喷射加工表面的均一性研究  114-134
  6.1 引言  114-116
  6.2 外圆磨削磨粒喷射加工表面自相关分析  116-121
    6.2.1 自相关函数(ACF)  116-117
    6.2.2 自相关曲线分析  117-121
  6.3 外圆磨削磨粒喷射加工表面功率谱分析  121-124
    6.3.1 功率谱密度函数(PSD)  121
    6.3.2 功率谱曲线分析  121-124
  6.4 外圆磨削磨粒喷射加工表面互相关性分析  124-131
    6.4.1 互相关函数(CCF)  124-125
    6.4.2 互相关系数  125
    6.4.3 互相关函数与互相关系数曲线分析  125-131
  6.5 外圆磨削磨粒喷射加工表面傅立叶谱分析  131-133
  6.6 本章小结  133-134
第7章 外圆磨削砂轮约束磨粒喷射加工表面特性的研究  134-158
  7.1 引言  134
  7.2 表面层的加工硬化  134-136
  7.3 工件表面的残余应力  136-142
    7.3.1 机械加工中的残余应力  136
    7.3.2 X射线衍射现象  136-137
    7.3.3 X射线表面残余应力测量原理  137-139
    7.3.4 测量方向的确定  139-140
    7.3.5 试验结果与讨论  140-142
  7.4 工件表面的分形维数与摩擦磨损特性  142-151
    7.4.1 分形基本理论  142-143
    7.4.2 表面微观形貌的分形表征  143-144
    7.4.3 分形维数值D与轮廓均方根偏差的关系  144
    7.4.4 分形维数值D与粗糙度的关系  144-146
    7.4.5 分形维数与归一化支承长度率曲线的关系  146-147
    7.4.6 分形维数与表面摩擦磨损特性的关系  147-151
      7.4.6.1 工件表面特性对摩擦和磨损性能的影响  147-149
      7.4.6.2 试验装置与条件  149-150
      7.4.6.3 摩擦系数与分形维数的关系  150-151
      7.4.6.4 摩损量与分形维数的关系  151
  7.5 工件表面层金相组织的变化  151-154
  7.6 工件表面的耐腐蚀特性  154-156
    7.6.1 表面特性对耐腐蚀性能的影响  154
    7.6.2 腐蚀试验  154
    7.6.3 工件表面的耐腐蚀性评价  154-156
  7.7 工件表面特性对精度保持性的影响  156-157
  7.8 工件表面特性对配合性质的影响  157
  7.9 本章小结  157-158
第8章 平面磨削与外圆磨削磨粒喷射加工对比  158-180
  8.1 引言  158-159
  8.2 压力场对比  159-164
    8.2.1 平面磨削与外圆磨削楔形接触区压力场对比  159-161
    8.2.2 砂轮宽度对平面和外圆磨削楔形接触区流体动压力的影响  161-162
    8.2.3 砂轮速度对平面和外圆磨削楔形接触区流体动压力的影响  162-164
  8.3 速度场对比  164-170
    8.3.1 平面磨削和外圆磨削楔形接触区二维速度场分布  164-168
    8.3.2 平面磨削和外圆磨削楔形接触区三维速度场分布  168-169
    8.3.3 平面磨削和外圆磨削后磨粒喷射加工工件表面三维形貌对比  169-170
  8.4 表面相关性对比  170-178
    8.4.1 表面自相关性对比  170-172
    8.4.2 表面功率谱对比  172-174
    8.4.3 表面互相关性对比  174-178
  8.5 本章小结  178-180
第9章 结论与展望  180-184
  9.1 结论  180-182
  9.2 建议  182-184
参考文献  184-198
致谢  198-200
攻读博士学位期间主要成果  200-202
作者简介  202

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