考虑磨粒特性及孔洞微缺陷的碳化硅陶瓷磨削加工研究

发布时间：2022-10-06 16:11

　　陶瓷类材料具有硬度高、耐高温、抗腐蚀等优良性能,在机械、航空航天、医疗等领域均有应用,对其需求也日益增强,促使陶瓷材料的加工朝着高质量和高效率的方向发展。然而,作为硬脆性材料的一种,其加工制造较为困难。目前,此类材料主要采用磨削加工。在磨削加工中,砂轮形貌的随机性、工件材料的性质、加工工艺参数的多样性使得加工过程具有复杂性和不确定性。研究这些特性对加工过程及结果的影响有助于深入认识磨削机理,并为改善加工质量和提升加工效率提供理论支撑。本文采用物理实验与离散元数值仿真结合的方法开展磨削加工研究,研究了磨粒特性及砂轮形貌对加工过程的影响。考虑到工件材料缺陷本身的特性,本文在实验的基础上建立了包含椭圆微孔洞缺陷的碳化硅陶瓷离散元模型并进行了单颗磨粒的磨削研究。最后,建立了砂轮模型,进行了不同磨削工艺参数下的磨削仿真与实验。本文围绕上述展开的主要工作如下:（1）采用超景深显微系统对人造金刚石磨粒及陶瓷结合剂磨料块进行了观测,总结出了磨粒的典型形态及磨粒在砂轮外表面的分布特点,为后续的仿真工作中磨粒模型的建立奠定了基础。（2）采用光学显微镜对碳化硅陶瓷材料进行了观察,实验结果显示材料内部的主要缺... 

【文章页数】：90 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
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第1章 绪论
    1.1 研究背景及意义
    1.2 砂轮表面检测及磨粒建模国内外研究现状
        1.2.1 砂轮表面形貌检测研究
        1.2.2 砂轮表面磨粒建模研究
    1.3 磨削加工国内外研究现状
        1.3.1 磨削加工理论研究
        1.3.2 磨削加工实验研究
        1.3.3 磨削加工仿真研究
    1.4 陶瓷材料的加工机理
        1.4.1 陶瓷材料的加工模型
        1.4.2 陶瓷材料的去除机理
    1.5 本课题研究技术路线及来源
第2章 金刚石磨粒及砂轮外表面形貌检测实验
    2.1 磨粒及砂轮种类的选择
    2.2 金刚石磨粒检测实验
    2.3 砂轮外表面形貌检测实验
    2.4 本章小结
第3章 碳化硅陶瓷微缺陷检测及其离散元模型
    3.1 碳化硅陶瓷微缺陷检测实验
    3.2 考虑孔洞微缺陷的碳化硅陶瓷离散元模型
        3.2.1 模型的建立与校准
        3.2.2 含孔洞微缺陷试样的建模
        3.2.3 试样受压过程的仿真
        3.2.4 试样失效过程分析
        3.2.5 试样应力分析
        3.2.6 试样力学性能分析
    3.3 本章小结
第4章 单颗磨粒磨削碳化硅陶瓷的离散元仿真
    4.1 磨粒与工件模型
        4.1.1 单颗金刚石磨粒离散元模型
        4.1.2 碳化硅陶瓷工件离散元模型
    4.2 单颗金刚石磨粒磨削碳化硅陶瓷仿真过程
        4.2.1 磨削加工仿真方案的确定
        4.2.2 磨削加工仿真的动态过程
    4.3 单颗磨粒加工碳化硅陶瓷的仿真结果分析
        4.3.1 磨削加工工件应力
        4.3.2 表面及亚表面裂纹损伤
        4.3.3 单颗磨粒磨削力
    4.4 含多孔洞微缺陷工件的磨削加工仿真
        4.4.1 含多孔洞微缺陷工件的加工模型
        4.4.2 孔洞倾角不同时磨削结果分析
        4.4.3 孔洞长径比不同时磨削结果分析
    4.5 本章小结
第5章 多磨粒磨削加工碳化硅陶瓷的离散元仿真及实验
    5.1 磨粒均匀分布下的砂轮磨削加工仿真
        5.1.1 砂轮与工件模型
        5.1.2 磨削仿真方案设计
    5.2 磨削仿真结果及分析
        5.2.1 磨削加工仿真结果
        5.2.2 磨削加工表面及亚表面裂纹数分析
        5.2.3 磨削加工损伤深度分析
        5.2.4 法向磨削力分析
        5.2.5 切向磨削力分析
    5.3 磨粒形态及分布随机的砂轮磨削加工仿真
        5.3.1 砂轮及工件模型
        5.3.2 不同工艺参数下的磨削仿真
    5.4 金刚石砂轮磨削碳化硅陶瓷实验研究
        5.4.1 实验条件及方案
        5.4.2 不同磨削工艺参数下的磨削实验
    5.5 磨削仿真与实验结果分析
        5.5.1 工件表面形貌观察与分析
        5.5.2 磨削深度对表面及亚表面损伤的影响
        5.5.3 磨削速度对表面及亚表面损伤的影响
    5.6 本章小结
第6章 结论与展望
    6.1 研究结论
    6.2 研究展望
参考文献
致谢
攻读硕士期间发表的学术论文与研究成果


【参考文献】：
期刊论文
[1]耐高温陶瓷基结构吸波复合材料研究进展[J]. 胡悦,黄大庆,史有强,张昳,何山,丁鹤雁.  航空材料学报. 2019(05)
[2]单颗磨粒磨削AISI 1045钢的磨削力实验研究[J]. 张琤,李光,马志飞,梁国星,吕明.  太原理工大学学报. 2018(05)
[3]不同形状磨粒随机分布磨料表面的三维建模仿真[J]. 段念,王文珊,于怡青,黄辉.  东华大学学报(自然科学版). 2016(04)
[4]工程陶瓷的技术现状与产业发展[J]. 肖汉宁,刘井雄,郭文明,高朋召.  机械工程材料. 2016(06)
[5]基于球切多面体和光密度的砂轮建模与测量[J]. 邓朝晖,赵小雨,刘伟,万林林.  机械工程学报. 2016(21)
[6]单颗金刚石磨粒切削氮化硅陶瓷仿真与试验研究[J]. 刘伟,邓朝晖,万林林,赵小雨,皮舟.  机械工程学报. 2015(21)
[7]基于光滑粒子流体动力学法单颗磨粒超声辅助磨削陶瓷材料的磨削力仿真研究[J]. 米召阳,梁志强,王西彬,周天丰,赵文祥,田梦.  兵工学报. 2015(06)
[8]基于多颗磨粒随机分布的虚拟砂轮建模及磨削力预测[J]. 张祥雷,姚斌,冯伟,沈志煌.  航空学报. 2014(12)
[9]考虑空位缺陷的单晶硅纳米级磨削过程的分子动力学仿真[J]. 郭晓光,张亮,金洙吉,郭东明.  中国机械工程. 2013(10)
[10]面向工程陶瓷的单颗金刚石磨粒划擦磨损规律[J]. 王健全,田欣利,唐修检,张保国,李富强.  金刚石与磨料磨具工程. 2012(03)

博士论文
[1]基于单颗磨粒切削的氮化硅陶瓷精密磨削仿真与实验研究[D]. 刘伟.湖南大学 2014

硕士论文
[1]基于离散元素法的砂轮建模与磨削仿真研究[D]. 李灏楠.东北大学 2014
[2]硬质合金高速磨削温度的有限元仿真研究[D]. 徐慧.湖南大学 2012
[3]金属切削过程及内圆磨削过程有限元仿真[D]. 陈志刚.湘潭大学 2007



本文编号：3686957