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电镀CBN砂轮基体结构设计及其动态性能分析

作　者: 邵景范
导　师: 李文斌
学　校: 太原理工大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: CBN砂轮基体模态分析谐响应分析结构改进磨削仿真
分类号: TG743
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

随着机械加工技术水平的不断提高,电镀CBN砂轮在窄深槽缓进给磨削中的应用越来越广泛。在国外,电镀CBN砂轮的制作技术相对比较成熟,而国内的电镀CBN砂轮制作技术还不是很完善,尤其是对硬、脆难加工材料的窄深槽进行磨削加工的电镀CBN砂轮还主要靠从国外引进。因此,制造出可以应用于难加工材料窄深槽磨削的电镀CBN砂轮是目前亟待解决的问题。本文研究的电镀CBN砂轮正是基于这个背景提出的。本文首先提出了两种CBN砂轮基体的设计方案；通过对这两种设计方案进行模态和谐响应分析之后,确定了砂轮基体的最终设计方案；针对最终方案的应力分析结果,对砂轮基体结构进行改进,并对改进后的结构进行动态特性分析；最后在ANSYS/LS-DYNA中对单颗磨粒进行磨削仿真。本文主要研究了以下几方面的内容：1)针对窄深槽的加工精度要求对砂轮基体进行结构设计。砂轮基体的结构设计主要是从基体材料和截面形状的选择以及基体设计尺寸的确定三个方面出发,设计出满足窄深槽加工要求的基体结构,并给出了基体的加工工艺和装配方案。2)在ANSYS中对所设计的两种砂轮基体方案建模并进行模态分析,得到了这两种基体方案的模态振型和固有频率。通过模态分析得到了砂轮基体在不同固有频率下的振动传递情况。之后,模拟实际加工中的磨削力对这两种方案进行ANSYS谐响应分析,利用模态叠加法计算得出砂轮的响应曲线。根据砂轮在激振力作用下的最大响应值确定最适合进行高精度窄深槽磨削的基体设计方案。3)对最优设计方案进行应力分析,根据砂轮基体的应力分布曲线判断砂轮可能遭到破坏的部位,对基体结构进行改进,使其应力分布趋于合理；然后对改进后的砂轮基体进行动态特性分析,使改进后的动态特性依然满足加工要求。4)在ANSYS/LS-DYNA中对单颗磨粒磨削加工过程进行了仿真,得到单颗磨粒磨削时切屑的形成过程和磨削时应力、应变状况,并给出了磨削时的应力、应变曲线。本文根据窄深槽的加工精度要求,对给出的两种CBN砂轮基体设计方案进行动态特性分析,得到了锥形电镀CBN砂轮最适合窄深槽磨削的结论,这对加工窄深槽所用的CBN砂轮基体结构设计具有指导意义。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-11
第一章绪论  11-19
  1.1 研究背景  11-12
  1.2 缓进给磨削的特点及应用  12-13
    1.2.1 缓进给磨削的定义  12
    1.2.2 缓进给磨削的特点  12-13
    1.2.3 缓进给磨削的应用场合  13
  1.3 电镀CBN砂轮磨削特点  13-15
  1.4 电镀CBN砂轮的国内外研究现状  15-17
    1.4.1 国外研究现状  15-16
    1.4.2 国内研究现状  16-17
  1.5 电镀CBN砂轮的发展趋势  17
  1.6 课题的研究意义  17
  1.7 研究内容及主要工作  17-19
第二章电镀CBN砂轮基体设计  19-27
  2.1 砂轮基体的设计要求  19-20
  2.2 砂轮基体结构设计  20-25
    2.2.1 砂轮基体材料的选择  20-21
    2.2.2 砂轮基体截面形状的设计  21-22
    2.2.3 砂轮基体尺寸的设计  22-25
  2.3 砂轮基体加工工艺方案设计  25
  2.4 砂轮基体的装配方案  25-26
  2.5 本章小结  26-27
第三章电镀CBN砂轮基体的模态分析  27-43
  3.1 模态分析的理论基础  27-30
    3.1.1 振动基本方程的建立  28-29
    3.1.2 固有频率和振型  29-30
  3.2 修改后锥形截面砂轮基体的模态分析  30-37
    3.2.1 建模及网格划分  30
    3.2.2 边界条件施加  30-32
    3.2.3 模态分析参数设定  32
    3.2.4 模态分析结果分析  32-37
  3.3 阶梯型截面砂轮基体的模态分析  37-42
    3.3.1 建模及网格划分  37
    3.3.2 边界条件施加  37-38
    3.3.3 模态分析参数设定及结果分析  38-42
  3.4 本章小结  42-43
第四章电镀CBN砂轮基体的谐响应分析  43-53
  4.1 谐响应分析的理论基础  43-45
  4.2 锥形砂轮基体的谐响应分析  45-49
    4.2.1 法向激振力作用下的砂轮基体响应  46-47
    4.2.2 切向激振力作用下的砂轮基体响应  47-49
  4.3 阶梯型砂轮基体的谐响应分析  49-52
    4.3.1 法向激振力作用下的砂轮基体响应  49-50
    4.3.2 切向激振力作用下的砂轮基体响应  50-52
  4.4 电镀CBN砂轮基体设计方案的确定  52
  4.5 本章小结  52-53
第五章电镀CBN砂轮基体的应力分析和结构改进  53-65
  5.1 旋转砂轮应力分析的理论基础  53-55
  5.2 砂轮基体的应力分布有限元分析  55-57
  5.3 结构改进后的锥形砂轮基体截面形状  57
  5.4 结构改进后锥形截面砂轮基体的应力分析  57-58
  5.5 结构改进后砂轮基体的动态特性分析  58-64
    5.5.1 砂轮基体的模态分析  58-61
    5.5.2 砂轮基体的谐响应分析  61-64
  5.6 本章小结  64-65
第六章基于ANSYS/LS-DYNA的单颗磨粒有限元磨削仿真  65-77
  6.1 磨削加工过程  65-66
  6.2 工件本构模型  66-67
  6.3 有限元模型的建立和约束的施加  67-68
    6.3.1 有限元模型的建立  67
    6.3.2 有限元模型约束的施加  67-68
  6.4 单颗磨粒有限元磨削仿真结果分析  68-75
    6.4.1 切屑的形成过程  68-69
    6.4.2 等效应力  69-72
    6.4.3 等效应变  72-74
    6.4.4 切屑位移  74-75
  6.5 本章小结  75-77
第七章总结与展望  77-79
  7.1 总结  77
  7.2 展望  77-79
参考文献  79-83
致谢  83-84
攻读硕士学位期间发表的学术论文  84

电镀CBN砂轮基体结构设计及其动态性能分析

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