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高速外圆磨削机理的仿真与实验研究

作　者: 沈琳燕
导　师: 李蓓智
学　校: 东华大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 高速外圆磨削机理仿真磨削力磨削热表面质量
分类号: TG581.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

高速磨削不仅可以提高加工效率,而且可以提高加工表面质量,已成为当今精密高效加工的发展趋势。但是由于高速磨削过程中高度非线性的力、热、化学及其耦合作用,人们对高速磨削加工机理还缺乏足够的认识,还不能掌握磨削工艺参数、砂轮材料及其性能参数对不同工件材料磨削质量和效率等的影响,因此开展高速磨削机理研究,尤其是高速外圆磨削机理具有重要的现实意义和实用价值。由于受试验设备及手段的限制,目前国内对CBN砂轮高速外圆磨削机理的工艺试验研究尚处于起步阶段,因此开展CBN高速外圆磨削机理的仿真研究,揭示磨削力、磨削热及其耦合作用对表面质量的影响,乃至高速砂轮主轴系统及磨床关键部件的相关研究,减少物理实验等的消耗,进一步建立完善的高速外圆磨削理论显得尤为重要。本文在对国内外高速磨削技术研究的历史和现状进行分析,并对外圆磨削理论进行总结和推导的基础上,提出了基于DEFORM-3D的热力耦合高速外圆磨削仿真模型的外圆磨削研究方法。在通过相关的试验,验证了该方法的合理性后,运用该模型以实验研究、仿真分析和理论推导相结合的方法,对40Cr材料的高速外圆磨削机理进行了研究。所做的工作主要包括:(1)基于DEFORM-3D对单颗磨粒外圆磨削过程进行了系统的研究。根据试验结果,深入分析了磨削工艺参数、比磨削能等对磨削力、磨削热的影响。仿真结果显示:磨削力随砂轮线速度的增大而减小,由于随着磨削力的增大,磨削热也相应增大,由于力、热的耦合作用,磨削力出现减小的趋势。磨削力随磨削深度的增大而增大,其中磨削深度的影响最显著;磨削力比随材料磨除率的增大略有增大;而比磨削能随材料磨除率的增大而减小,并且逐渐趋于一个稳定值;磨削温度随磨削深度的增大而增大,随砂轮线速度的增大而先增大后减小,其变化规律与“萨洛蒙”曲线基本一致,工件转速对磨削温度影响较小;在单个磨削周期内,沿磨削弧区方向,磨削温度先以极大的梯度上升,大约在弧区中心位置达到最大值,随后缓慢下降;同时在弧区中心位置产生最大热流,且热流分布形状可近似的看成是二次曲线分布。(2)设计高速外圆磨削实验方案,在MK 1432/H数控万能外圆磨床上搭建磨削力、磨削热测试平台,由于受到条件的限制,利用已有的平面磨削测力仪,通过设计加工测力基座,将外圆磨削过程中工件受到的三向力传到测力仪表面,从而进行数据采集;设计制作温度采集卡,自制热电偶工件进行磨削热的测量。(3)对高速外圆磨削工艺试验结果进行了分析研究,验证了本文所提出的仿真模型的合理性。工程试验结果显示:砂轮线速度v_s＜80m/s时,磨削力、磨削温度的变化规律与仿真结果一致;砂轮线速度v_s＞80m/s时,由于试验设备的限制,暂时无法验证。(4)对磨削试验后的工件进行表面粗糙度检测,结果显示:工件表面粗糙度值随砂轮线速度的增大而减小,但影响较小,其粗糙度值的变化基本在0.1μm之间;工件表面粗糙度值随磨削深度的增大而增大;随工件转速的增大而减小,但减小趋势较平缓。

全文目录

摘要  5-8
ABSTRACT  8-11
目录  11-13
第一章绪论  13-23
  1.1 国内外机理研究综述  14-19
    1.1.1 国内外高速磨削的发展现状  14-17
    1.1.2 有限元仿真技术的应用研究  17-19
  1.2 课题的目的及主要研究内容  19-21
    1.2.1 课题目的  19-20
    1.2.2 主要研究内容  20-21
  1.3 课题背景来源  21
  1.4 论文的章节安排  21-23
第二章高速外圆磨削理论基础  23-41
  2.1 磨粒的切削过程  23-30
    2.1.1 磨粒的大负前角切削  23-25
    2.1.2 磨削过程磨粒的高切速  25
    2.1.3 磨削过程中的尺寸效应  25-29
    2.1.4 磨粒磨削的三个阶段  29-30
  2.2 单颗磨粒的未变形磨屑厚度  30-35
    2.2.1 磨削的尺寸  30
    2.2.2 磨粒未变形磨屑厚度的影响关系  30-35
  2.3 高速外圆磨削区力分析  35-36
    2.3.1 磨削力  35
    2.3.2 比磨削能  35-36
  2.4 高速外圆磨削区热分析  36-40
    2.4.1 磨削热的产生与传散机理  36-37
    2.4.2 磨削温度的分类和意义  37-38
    2.4.3 磨粒切削刃的温度  38
    2.4.4 磨削热分配比  38-40
  2.5 本章小结  40-41
第三章高速外圆磨削过程中的力、热及耦合仿真研究  41-61
  3.1 力、热及其耦合的仿真分析  41-45
    3.1.1 有限元仿真分析方法的基本思想  41-43
    3.1.2 磨削加工力、热分析过程的理论基础  43-44
    3.1.3 热力耦合仿真在磨削加工中的应用  44-45
  3.2 基于DEFORM-3D高速外圆磨削仿真研究  45-50
    3.2.1 工件材料本构模型的建立  45-46
    3.2.2 仿真模型的构建  46-50
    3.2.3 仿真实验工艺参数的选择  50
  3.3 磨削力、比磨削能研究  50-55
    3.3.1 磨削力仿真结果及其分析  51-54
    3.3.2 磨削力比与磨除率的关系分析  54-55
    3.3.3 比磨削能与磨除率的关系分析  55
  3.4 磨削热研究  55-58
    3.4.1 工艺参数对磨削区最高温度的影响  55-57
    3.4.2 磨削弧区温度变化分析  57-58
    3.4.3 磨削弧区热流变化分析  58
  3.5 磨削过程力、热耦合作用研究  58-59
  3.6 本章小结  59-61
第四章高速外圆磨削实验方案设计  61-71
  4.1 实验材料及其性能  61-62
  4.2 实验设备  62-65
    4.2.1 高速磨削试验平台  62
    4.2.2 CBN砂轮及修整  62-65
  4.3 实验条件  65
  4.4 实验数据采集方案设计  65-70
    4.4.1 磨削力采集方案  65-67
    4.4.2 磨削温度采集方案  67-70
    4.4.3 表面粗糙度测量  70
  4.5 本章小结  70-71
第五章高速外圆磨削实验数据处理分析  71-82
  5.1 磨削力实验结果分析  71-73
    5.1.1 砂轮线速度对磨削力的影响  71-72
    5.1.2 磨削深度对磨削力的影响  72-73
    5.1.3 工件转速对磨削力的影响  73
  5.2 磨削温度实验结果分析  73-76
    5.2.1 砂轮线速度对磨削温度的影响  73-74
    5.2.2 磨削深度对磨削区最高温度的影响  74-75
    5.2.3 单个磨削周期内温度的分析  75-76
  5.3 磨削工艺参数对工件表面质量影响  76-79
    5.3.1 砂轮线速度对工件表面粗糙度的影响  76-77
    5.3.2 磨削深度对工件表面粗糙度的影响  77-78
    5.3.3 工件转速对工件表面粗糙度的影响  78-79
  5.4 高速磨削加工工件表面质量分析  79-81
  5.5 本章小结  81-82
总结与展望  82-84
参考文献  84-90
致谢  90-91
攻读学位期间所发表的学术论文目录  91

高速外圆磨削机理的仿真与实验研究

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