表面枝构化仿生金刚石砂轮精确制备及其磨削机理研究
发布时间：2021-03-27 22:18
针对传统砂轮磨削时出现容屑空间小、润滑冷却性能差、砂轮容易堵塞、裂纹等问题。受到植物叶脉分形网格结构启迪,借鉴其分级、流动性和散热特征;将仿生学中叶脉分形网格结构引入到砂轮枝构化设计中。进一步开展了砂轮表面叶脉分形网格结构的设计,通过激光烧蚀使得叶脉分形网格结构均匀分布在砂轮表面。这对为砂轮表面枝构化设计提供一种崭新的方法和提高金刚石砂轮的磨削性能具有重大意义。本文首先根据叶脉分形网格的结构特点,提取了自然界中植物叶脉分形网格结构中特征参数,阐明了叶脉分形网格结构的演变规则。基于叶脉分形参数（宽度比、长度比和叶脉密度）构建了砂轮表面多级叶脉分形网格结构模型。再利用相似性理论,对多级叶脉分形网格结构与表面枝构化砂轮进行了相似性分析。通过结合湖南省的网状脉植物分布情况,选取了香樟树叶片上叶脉网格结构作为仿生对象;采集了处于成熟期（LL）、成长期（ML）和幼小期（SL）的叶片上叶脉网格结构作为实验样本,提取了和测量了样本中主脉、侧脉、细脉的长与宽;确定了三种不同类型叶脉的宽度比和长度比;最终设计了三种不同类型的仿生金刚石砂轮。其次,阐明了金刚石砂轮表面枝构化原理,搭建了激光器、旋转夹紧装置为...
【文章来源】：湖南理工学院湖南省
【文章页数】：87 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
砂轮结构化结构类型那怎么才能设计出表面结构化的仿生结构模型？师法自然、探索大自然中类
湖南理工学院硕士学位论文第1章绪论3陶瓷结合剂CBN砂轮表面加工出宏观结构化的盲孔（直径500μm，孔深5mm），其激光去除面积是整个砂轮表面20%，如图1-2所示，宏观结构化的盲孔不仅能够大量储存大量磨削液，在磨削过程中可以将这些磨削液运送到磨削区实现冷却与润滑，利用这些宏观结构化的砂轮磨削时，法向磨削力和径向磨削力分别降低39%和49%，降低了工件表面热影响区域。但是单一结构化会在磨削过程中带来磨削颤振将对工件表面质量造成严重的影响。图1-2砂轮表面宏观结构化的盲孔2017年，张晓红教授[12,13]等提出了激光烧蚀的方法在金刚石砂轮表面加工宽度为1.2mm的6种不同类型宏观沟槽结构，其中两种宏观沟槽的超景深显微镜图如1-3所示，通过实验发现磨削力下降了24.5%。宏观沟槽结构不仅能够有效聚集并将冷却液输送到磨削区实现冷却与润滑，并且能够大幅度地增加磨削加工效率。但是在单一的尺度下结构化区域内的磨屑和破碎的磨粒无法及时排出从而对磨削加工表面质量造成严重影响。图1-3砂轮表面宏观结构化类型Walter[14,15]等利用了脉冲激光烧蚀的方法在CBN砂轮表面加工出螺旋型、交叉螺旋型、网状及V型等6种不同类型尺寸为120-140μm的微观沟槽结构（如图1-4所示），研究结果表明，不同类型微观沟槽所表现出来的磨削性能是截然
湖南理工学院硕士学位论文第1章绪论4不同的，和非结构化砂轮相比，V型微观沟槽结构化的实际接触面积仅为传统砂轮的63%，磨削力最大下降54%，改善砂轮的润滑冷却条件，提高难加工材料磨削质量。但是也发现V型微观沟槽阵列结构无法确保冷却液在磨削区与工件表面的持续接触，从而造成磨削表面粗糙度反而略有增大，如图1-5所示。图1-4CBN砂轮表面微观结构化图1-5CBN砂轮表面微观结构化和未结构化的磨削力及粗糙度对比赵清亮教授[16,17]等采用脉冲纳秒激光对大磨粒电镀金刚石砂轮表面烧蚀出宽度为10-15μm、间距为30-150μm的微观沟槽，如图1-6所示，利用此种微观结构化砂轮对BK7光学玻璃进行了磨削实验，并探究了BK7光学玻璃表面粗糙度和亚表面损伤，通过实验结果发现，和传统金刚石砂轮相比，表面粗糙度略为增大，工件亚表面损伤有了较大的降低，与传统金刚石砂轮相比降低40%，如图1-7所示。图1-6激光微观结构化电镀砂轮的原理图及形貌
【参考文献】：
期刊论文
[1]蓝宝石超精密研磨加工研究进展[J]. 万林林,戴鹏,刘志坚,邓朝晖. 兵器材料科学与工程. 2018(01)
[2]Plant Surfaces:Structures and Functions for Biomimetic Innovations[J]. Wilhelm Barthlott,Matthias Mail,Bharat Bhushan,Kerstin Koch. Nano-Micro Letters. 2017(02)
[3]脆性材料亚表面损伤检测研究现状和发展趋势[J]. 王宁昌,姜峰,黄辉,徐西鹏. 机械工程学报. 2017(09)
[4]仿叶脉分形结构在均热板蒸发端的实验研究[J]. 刘旺玉,王力,罗远强. 华南理工大学学报(自然科学版). 2017(01)
[5]叶脉网络系统的构建和系统学意义研究进展[J]. 孙素静,李芳兰,包维楷. 热带亚热带植物学报. 2015(03)
[6]光学玻璃的激光微结构化砂轮精密磨削[J]. 郭兵,赵清亮,陈冰,于欣. 光学精密工程. 2014(10)
[7]叶脉网络功能性状及其生态学意义[J]. 李乐,曾辉,郭大立. 植物生态学报. 2013(07)
[8]叶脉的形态与结构[J]. 汪矛,郑相如,张志农. 生物学通报. 1998(08)
博士论文
[1]耐热型网状脉植物叶片多尺度热流结构与仿生均热板设计[D]. 罗远强.华南理工大学 2018
[2]典型植物叶片刚柔耦合力学特性及其仿生研究[D]. 刘静静.吉林大学 2018
[3]启迪于植物叶片的通道网络/基体模型及应用探索研究[D]. 户利国.上海交通大学 2017
[4]基于植物叶片结构的仿生均热板研究[D]. 彭毅.华南理工大学 2015
[5]凸轮轴数控磨削工艺智能专家系统的研究及软件开发[D]. 张晓红.湖南大学 2010
硕士论文
[1]植物仿生集成化细胞操控微流控芯片[D]. 刘海侠.大连理工大学 2017
[2]基于植物叶脉形态的板壳结构加强筋设计[D]. 张涛.江西理工大学 2016
[3]基于植物气孔与叶脉结构的吸液芯结构研究[D]. 王力.华南理工大学 2016
[4]基于Y-形单元分形吸液芯结构流动与传热性能研究[D]. 陈伟.华南理工大学 2015
[5]棕榈科植物结构力学性能研究与风力机仿生[D]. 吴华锋.华南理工大学 2013
本文编号：3104329
【文章来源】：湖南理工学院湖南省
【文章页数】：87 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
砂轮结构化结构类型那怎么才能设计出表面结构化的仿生结构模型？师法自然、探索大自然中类
湖南理工学院硕士学位论文第1章绪论3陶瓷结合剂CBN砂轮表面加工出宏观结构化的盲孔（直径500μm，孔深5mm），其激光去除面积是整个砂轮表面20%，如图1-2所示，宏观结构化的盲孔不仅能够大量储存大量磨削液，在磨削过程中可以将这些磨削液运送到磨削区实现冷却与润滑，利用这些宏观结构化的砂轮磨削时，法向磨削力和径向磨削力分别降低39%和49%，降低了工件表面热影响区域。但是单一结构化会在磨削过程中带来磨削颤振将对工件表面质量造成严重的影响。图1-2砂轮表面宏观结构化的盲孔2017年，张晓红教授[12,13]等提出了激光烧蚀的方法在金刚石砂轮表面加工宽度为1.2mm的6种不同类型宏观沟槽结构，其中两种宏观沟槽的超景深显微镜图如1-3所示，通过实验发现磨削力下降了24.5%。宏观沟槽结构不仅能够有效聚集并将冷却液输送到磨削区实现冷却与润滑，并且能够大幅度地增加磨削加工效率。但是在单一的尺度下结构化区域内的磨屑和破碎的磨粒无法及时排出从而对磨削加工表面质量造成严重影响。图1-3砂轮表面宏观结构化类型Walter[14,15]等利用了脉冲激光烧蚀的方法在CBN砂轮表面加工出螺旋型、交叉螺旋型、网状及V型等6种不同类型尺寸为120-140μm的微观沟槽结构（如图1-4所示），研究结果表明，不同类型微观沟槽所表现出来的磨削性能是截然
湖南理工学院硕士学位论文第1章绪论4不同的，和非结构化砂轮相比，V型微观沟槽结构化的实际接触面积仅为传统砂轮的63%，磨削力最大下降54%，改善砂轮的润滑冷却条件，提高难加工材料磨削质量。但是也发现V型微观沟槽阵列结构无法确保冷却液在磨削区与工件表面的持续接触，从而造成磨削表面粗糙度反而略有增大，如图1-5所示。图1-4CBN砂轮表面微观结构化图1-5CBN砂轮表面微观结构化和未结构化的磨削力及粗糙度对比赵清亮教授[16,17]等采用脉冲纳秒激光对大磨粒电镀金刚石砂轮表面烧蚀出宽度为10-15μm、间距为30-150μm的微观沟槽，如图1-6所示，利用此种微观结构化砂轮对BK7光学玻璃进行了磨削实验，并探究了BK7光学玻璃表面粗糙度和亚表面损伤，通过实验结果发现，和传统金刚石砂轮相比，表面粗糙度略为增大，工件亚表面损伤有了较大的降低，与传统金刚石砂轮相比降低40%，如图1-7所示。图1-6激光微观结构化电镀砂轮的原理图及形貌
【参考文献】：
期刊论文
[1]蓝宝石超精密研磨加工研究进展[J]. 万林林,戴鹏,刘志坚,邓朝晖. 兵器材料科学与工程. 2018(01)
[2]Plant Surfaces:Structures and Functions for Biomimetic Innovations[J]. Wilhelm Barthlott,Matthias Mail,Bharat Bhushan,Kerstin Koch. Nano-Micro Letters. 2017(02)
[3]脆性材料亚表面损伤检测研究现状和发展趋势[J]. 王宁昌,姜峰,黄辉,徐西鹏. 机械工程学报. 2017(09)
[4]仿叶脉分形结构在均热板蒸发端的实验研究[J]. 刘旺玉,王力,罗远强. 华南理工大学学报(自然科学版). 2017(01)
[5]叶脉网络系统的构建和系统学意义研究进展[J]. 孙素静,李芳兰,包维楷. 热带亚热带植物学报. 2015(03)
[6]光学玻璃的激光微结构化砂轮精密磨削[J]. 郭兵,赵清亮,陈冰,于欣. 光学精密工程. 2014(10)
[7]叶脉网络功能性状及其生态学意义[J]. 李乐,曾辉,郭大立. 植物生态学报. 2013(07)
[8]叶脉的形态与结构[J]. 汪矛,郑相如,张志农. 生物学通报. 1998(08)
博士论文
[1]耐热型网状脉植物叶片多尺度热流结构与仿生均热板设计[D]. 罗远强.华南理工大学 2018
[2]典型植物叶片刚柔耦合力学特性及其仿生研究[D]. 刘静静.吉林大学 2018
[3]启迪于植物叶片的通道网络/基体模型及应用探索研究[D]. 户利国.上海交通大学 2017
[4]基于植物叶片结构的仿生均热板研究[D]. 彭毅.华南理工大学 2015
[5]凸轮轴数控磨削工艺智能专家系统的研究及软件开发[D]. 张晓红.湖南大学 2010
硕士论文
[1]植物仿生集成化细胞操控微流控芯片[D]. 刘海侠.大连理工大学 2017
[2]基于植物叶脉形态的板壳结构加强筋设计[D]. 张涛.江西理工大学 2016
[3]基于植物气孔与叶脉结构的吸液芯结构研究[D]. 王力.华南理工大学 2016
[4]基于Y-形单元分形吸液芯结构流动与传热性能研究[D]. 陈伟.华南理工大学 2015
[5]棕榈科植物结构力学性能研究与风力机仿生[D]. 吴华锋.华南理工大学 2013
本文编号：3104329
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