基于多磨粒立式微磨削理论及其仿真建模研究

发布时间：2020-08-29 11:57

　　微磨削(又称微型磨削、微细磨削)加工是采用超微颗粒的砂轮在工件表面进行微纳米级机械去除的加工方法,是一种精密加工工艺,能够实现对高硬度、高强度硬脆材料微零件或微结构的高质量表面加工,在航空航天、国防工业、微电子工业、现代医学和生物技术等领域发挥了重要的作用。其中,微磨削力的研究是微磨削加工中重要的一环。然而,目前微磨削力的理论和仿真研究大多基于单颗磨粒,缺乏对基于多颗磨粒模型的磨削力研究。因此,本文主要研究了考虑多颗磨粒的立式微磨削建模方法。具体研究内容如下:1、研究微磨削硬脆材料磨削机理。介绍了立式微磨削的原理、硬脆材料微磨削的三种材料去除方式、以及互相转换的临界深度,并推导出临界未变形厚度h_c和临界未变形切屑厚度h_d。2、构建立式微磨削磨削力理论预测模型。从单颗磨粒微磨削入手,结合动态切削磨刃密度模型得到磨削力预测模型。3、利用有限元仿真模拟硬脆材料单颗磨粒微磨削。验证了第二章所述的硬脆材料微磨削过程中单颗磨粒材料去除方式,主要分析了耕犁力对材料变形的影响,以及微磨削过程中摩擦力和磨削深度对微磨削力的影响,为研究多颗磨粒微磨削模型奠定了基础。4、运用ABAQUS软件构造多颗磨粒微磨削力模型,设置磨粒随机分布在磨棒表面上。在微磨棒转速恒定条件下,针对切削深度和微磨棒进给速度对磨削力的影响进行仿真,并对产生影响的原因进行了分析。同时与理论模型所得的预测值以及实际实验结果进行对比,验证了本文所提出理论模型、仿真模型的可行性。本论文从理论到仿真建模的研究工作,为研究立式微磨削多颗磨粒磨削模型提供了经验,为今后基于仿真模型的微磨削力研究奠定了一定基础。
【学位单位】：东华大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG580.6
【部分图文】：

单颗磨粒,磨粒,磨削过程,路径

在磨粒-工件的接触区域获得更小的网格尺寸。在模拟过程中，当发生严重的网格畸变时，需要重新划分网格。自适应重划网格技术的目标是满足所设置的网格离散误差指数，从而得到更好的网格划分方案，不需要完全重新划分工件网格，因此提高了计算效率。是否需要重新划分网格是由网格单元尺寸决定的，而等效塑性应变误差指数用于确定单元几何形状是否满足与交互区域的接触一致性。在磨削区域提供更细的网格便于更好地仿真磨粒与工件的接触情况。需要指出的是，自适应重划网格技术通常用于控制精度，也可以用于控制失真情况。改变材料去除形式的决定性参数主要有：未变形切屑厚度、切削速度、刀具前角。在本次仿真过程中，切削深度（0.5 、1 和 2 ）与磨粒直径相比相对较小，这使得前角为高度负前角。影响材料去除机理改变的另一个重要参数是磨粒与工件之间的摩擦系数。在本章仿真中，利用有限元模拟结果解释单颗磨粒磨削过程中材料的变形和作用力受切削深度和摩擦系数的影响情况。如图 4.5 所示为耕犁变形示意图，是在无摩擦接触和最大切削深度为 2 的条件下得到的。

单颗磨粒,工件材料,情况,切削深度

30（e）无摩擦，h=2 （f） =0.2，h=2 图 4. 6 单颗磨粒磨削耕犁力造成工件材料变形的变形情况根据图 4.6 所得结果可知：无摩擦时，最大材料隆起高度约为切削深度的一半；当摩擦系数为 0.2 时，最大材料隆起高度与切削深度几乎相同。这意味着磨粒和工件之间的摩擦会导致磨削过程中耕犁作用材料增加。此外，在磨削深度较高的情况下隆起材料产生边缘切割，这说明出现了切屑形成现象。由于切削深度较小和切削速度较低，仿真过程中没有切屑形成。

示意图,磨具,建模,示意图

图 5.1 磨具建模示意图微磨削模型，如图 5.2 所示：图 5.2 立式微磨削建模示意图磨具磨削 SiC 工件，其材料模型在 4.2.1 和这里就不再赘述。BAQUS 仿真模型

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