基于仿生学的铣削表面结构优选与性能分析
发布时间：2021-07-08 10:14
高速铣削加工技术在航空航天制造业和模具产业中得到广泛应用,铣削形貌表面状态会对工件的服役性能以及使用寿命造成重要影响。依据自然界某些生物体表具备减磨、抗阻和润滑等特性,参照生物体表的形貌参数,借助各种机械加工手段制备的功能表面在实际工程中得到了广泛的应用。本文对自然界存在的仿生非光滑体表进行了显微观测,重点研究不同排列方式的仿生非光滑单元体对工件磨损性能的影响,借助有限元分析技术获得最优耐磨形貌,通过等效连续冲压仿真对模具磨损的全过程变化规律进行了描述,所得结论对耐磨模具设计和实际工程应用具有重要的指导意义,主要工作如下:首先,基于仿生学对不同生物非光滑耐磨体表的案例进行研究与分析,综合凹坑形貌具备优良的耐磨性能与铣削形貌之间的关系,确定以蜣螂为研究对象;采用超景显微观测手段对蜣螂的体表形貌进行了探究,在铣削形貌成形机理的分析基础之上,将仿生非光滑单元体与铣削形貌进行有效的结合,提出了典型的仿生形貌。其次,依据蜣螂微观单元尺寸优选了不同铣削参数范围域并建立仿真模型,借助有限元分析手段,以磨损深度、温度、应变和应力为指标,对不同纹理角度形貌的耐磨性能进行研究,得出最佳耐磨纹理角度和最优形...
【文章来源】：哈尔滨理工大学黑龙江省
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
铣削形貌
哈尔滨理工大学工学硕士学位论文-2-忽略了冲压过程中形貌变化对磨损性能的影响，难以反映真实连续冲压过程中模具表面产生的累计磨损大小，因此为了探究模具磨损的全过程，对模具形貌磨损不同阶段进行连续冲压模拟仿真是有必要的。仿生非光滑表面具有一定的减磨作用，基于仿生学利用自然界中某些生物体表的非光滑形态具有耐磨、减阻、抗粘附、润滑等特性，通过对典型耐磨生物非光滑体表的观测，分析仿生非光滑单元尺寸与耐磨性能的内在关系，实现基于服役性能的加工与优化，为耐磨模具的设计和生产提供新的设计思路。1.2国内外研究现状1.2.1仿生非光滑理论研究现状Wu对高压海水轴向柱塞泵关键部件圆柱端口板进行了研究，圆柱端口板的材料为玻璃纤维-环氧树脂复合材料（GF/EPR），在圆柱端口板的上表面制备出了半球形凹坑、圆锥形凹坑、锥形圆柱组合凹坑、圆柱形凹坑和通口，通过摩擦磨损实验得出了磨损质量和摩擦系数的变化规律，结果表明圆形凹坑的磨损量和摩擦系数均为最小[2]，如图1-2所示为泵体表面形貌。图1-2泵体表面形貌Fig.1-2SurfacemorphologyofpumpbodyLiu将仿生非光滑技术应用在液力变矩器中，提出了一种绿色减阻的创新方法，通过研究发现泵轮壳体的上的凹槽相对于外部区域存在明显的旋转流动，形成“涡流缓冲效应”，减弱了速度梯度的变化，改变了流体与表面之间的接触状态，同时凹槽和壁中流体的相对转速变小，进而使得凹槽表面的摩擦阻力下降[3]。土壤穴居动物的非光滑体表有助于降低自身与土壤接触的阻力，BenardChirende将这种仿生非光滑表面的概念应用于圆盘犁，以找出不同仿生单元对
哈尔滨理工大学工学硕士学位论文-8-同仿生形貌对磨损影响的内在原因，得到了不同磨损阶段冲压次数与磨损深度的映射关系模型，其目的是为制备高耐磨模具加工参数的选取提供理论支持。研究思路如图1-3所示，具体工作如下：（1）对不同生物非光滑耐磨体表案例进行了总结，借助形貌检测手段确定了蜣螂体表单元形貌的三维尺寸，基于仿生非光滑理论，提出了乱序排列形貌、四边形凹坑形貌和六边形凹坑形貌，通过定义纹理角度对不同形貌进行了区分。（2）对三种典型纹理角度进行建模，以磨损深度、温度、应力应变为指标，通过平面磨损仿真对三种形貌的耐磨性能进行了研究，得出了最佳耐磨纹理角度。结合蜣螂体表参数，借助平面磨损仿真得出了最优耐磨表面和相应的铣削参数。（3）参照实际工况对冲压力、冲压间隙和冲压行程进行合理计算，确定模具和板料设计关键尺寸，利用铣削实验对模具关键部位进行加工，采用U形弯曲成形实验对模具磨损的关键部位进行分析，借助超景深对模具磨损部位进行观测，利用扫描电镜对模具服役前后微观形貌进行分析。（4）借助单次冲压连续仿真对磨损区域的载荷和最大磨损深度进行了分析，通过对模具的受力分析以及对冲压模型进行简化，探讨了形貌不同磨损高度下冲压模具与磨损深度的变化规律，最后建立了不同磨损高度下冲压次数与磨损深度的映射关系模型。图1-3研究路线Fig.1-3Technicalrouteofresearch
【参考文献】：
期刊论文
[1]典型激光参数对高硅铝合金缸套表面微坑几何形貌影响[J]. 吕佳霏,韩晓光,赫冬,杜凤鸣,陈玉珍,徐久军. 激光与光电子学进展. 2020(13)
[2]基于Archard模型的桨毂轴承摩擦副磨损寿命评估方法[J]. 吕堂祺,施睿贇,朱凌南. 船舶工程. 2019(S2)
[3]走刀策略对7050铝合金薄壁筋铣削的影响[J]. 傅勇,杨吟飞,兰惠,翁小飞,朱金鹏. 机械制造与自动化. 2019(02)
[4]高速超声椭圆振动铣削腹板表面质量研究[J]. 高泽,张德远,李哲,姜兴刚,刘佳佳. 机械工程学报. 2019(07)
[5]波纹形仿生疏浚绞刀刀齿的减粘减阻研究[J]. 冯艳艳,唐亚鸣,时安德,谢瑶. 机电技术. 2018(06)
[6]喷丸表面的最佳粗糙度参数与材料硬度的关系[J]. 何声馨,刘坤坤,王锐,张二亮,李延民. 郑州大学学报(工学版). 2019(01)
[7]高速铣削工艺参数对AM50A镁合金铣削力和表面形貌的影响[J]. 张宏基,葛媛媛,唐虹,史耀耀,李增生. 西北工业大学学报. 2018(01)
[8]Bionic surface design of cemented carbide drill bit[J]. YANG XiaoFeng,XIA Re,ZHOU HongWei,GUO Lu,ZHANG LiJun. Science China（Technological Sciences）. 2016(01)
[9]Influence of Non-smooth Surface on Tribological Properties of Glass Fiber-epoxy Resin Composite Sliding against Stainless Steel under Natural Seawater Lubrication[J]. WU Shaofeng,GAO Dianrong,LIANG Yingna,CHEN Bo. Chinese Journal of Mechanical Engineering. 2015(06)
[10]国内汽车模具行业发展状况与趋势[J]. 孟宇. CAD/CAM与制造业信息化. 2012(04)
博士论文
[1]凹坑形仿生非光滑轧辊耐磨性研究[D]. 杨卓娟.吉林大学 2006
硕士论文
[1]耐磨仿生表面高速铣削加工方法研究及其性能分析[D]. 朴明健.哈尔滨理工大学 2019
[2]基于服役性能的高速铣削淬硬钢表面质量研究[D]. 刘洪丽.哈尔滨理工大学 2016
[3]具备多种生物特征的液力变矩器减阻增效研究[D]. 刘长锁.吉林大学 2015
[4]蝗虫后足的结构形态仿生信息采集及生物力学测试[D]. 高吭.吉林大学 2006
本文编号：3271371
【文章来源】：哈尔滨理工大学黑龙江省
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
铣削形貌
哈尔滨理工大学工学硕士学位论文-2-忽略了冲压过程中形貌变化对磨损性能的影响，难以反映真实连续冲压过程中模具表面产生的累计磨损大小，因此为了探究模具磨损的全过程，对模具形貌磨损不同阶段进行连续冲压模拟仿真是有必要的。仿生非光滑表面具有一定的减磨作用，基于仿生学利用自然界中某些生物体表的非光滑形态具有耐磨、减阻、抗粘附、润滑等特性，通过对典型耐磨生物非光滑体表的观测，分析仿生非光滑单元尺寸与耐磨性能的内在关系，实现基于服役性能的加工与优化，为耐磨模具的设计和生产提供新的设计思路。1.2国内外研究现状1.2.1仿生非光滑理论研究现状Wu对高压海水轴向柱塞泵关键部件圆柱端口板进行了研究，圆柱端口板的材料为玻璃纤维-环氧树脂复合材料（GF/EPR），在圆柱端口板的上表面制备出了半球形凹坑、圆锥形凹坑、锥形圆柱组合凹坑、圆柱形凹坑和通口，通过摩擦磨损实验得出了磨损质量和摩擦系数的变化规律，结果表明圆形凹坑的磨损量和摩擦系数均为最小[2]，如图1-2所示为泵体表面形貌。图1-2泵体表面形貌Fig.1-2SurfacemorphologyofpumpbodyLiu将仿生非光滑技术应用在液力变矩器中，提出了一种绿色减阻的创新方法，通过研究发现泵轮壳体的上的凹槽相对于外部区域存在明显的旋转流动，形成“涡流缓冲效应”，减弱了速度梯度的变化，改变了流体与表面之间的接触状态，同时凹槽和壁中流体的相对转速变小，进而使得凹槽表面的摩擦阻力下降[3]。土壤穴居动物的非光滑体表有助于降低自身与土壤接触的阻力，BenardChirende将这种仿生非光滑表面的概念应用于圆盘犁，以找出不同仿生单元对
哈尔滨理工大学工学硕士学位论文-8-同仿生形貌对磨损影响的内在原因，得到了不同磨损阶段冲压次数与磨损深度的映射关系模型，其目的是为制备高耐磨模具加工参数的选取提供理论支持。研究思路如图1-3所示，具体工作如下：（1）对不同生物非光滑耐磨体表案例进行了总结，借助形貌检测手段确定了蜣螂体表单元形貌的三维尺寸，基于仿生非光滑理论，提出了乱序排列形貌、四边形凹坑形貌和六边形凹坑形貌，通过定义纹理角度对不同形貌进行了区分。（2）对三种典型纹理角度进行建模，以磨损深度、温度、应力应变为指标，通过平面磨损仿真对三种形貌的耐磨性能进行了研究，得出了最佳耐磨纹理角度。结合蜣螂体表参数，借助平面磨损仿真得出了最优耐磨表面和相应的铣削参数。（3）参照实际工况对冲压力、冲压间隙和冲压行程进行合理计算，确定模具和板料设计关键尺寸，利用铣削实验对模具关键部位进行加工，采用U形弯曲成形实验对模具磨损的关键部位进行分析，借助超景深对模具磨损部位进行观测，利用扫描电镜对模具服役前后微观形貌进行分析。（4）借助单次冲压连续仿真对磨损区域的载荷和最大磨损深度进行了分析，通过对模具的受力分析以及对冲压模型进行简化，探讨了形貌不同磨损高度下冲压模具与磨损深度的变化规律，最后建立了不同磨损高度下冲压次数与磨损深度的映射关系模型。图1-3研究路线Fig.1-3Technicalrouteofresearch
【参考文献】：
期刊论文
[1]典型激光参数对高硅铝合金缸套表面微坑几何形貌影响[J]. 吕佳霏,韩晓光,赫冬,杜凤鸣,陈玉珍,徐久军. 激光与光电子学进展. 2020(13)
[2]基于Archard模型的桨毂轴承摩擦副磨损寿命评估方法[J]. 吕堂祺,施睿贇,朱凌南. 船舶工程. 2019(S2)
[3]走刀策略对7050铝合金薄壁筋铣削的影响[J]. 傅勇,杨吟飞,兰惠,翁小飞,朱金鹏. 机械制造与自动化. 2019(02)
[4]高速超声椭圆振动铣削腹板表面质量研究[J]. 高泽,张德远,李哲,姜兴刚,刘佳佳. 机械工程学报. 2019(07)
[5]波纹形仿生疏浚绞刀刀齿的减粘减阻研究[J]. 冯艳艳,唐亚鸣,时安德,谢瑶. 机电技术. 2018(06)
[6]喷丸表面的最佳粗糙度参数与材料硬度的关系[J]. 何声馨,刘坤坤,王锐,张二亮,李延民. 郑州大学学报(工学版). 2019(01)
[7]高速铣削工艺参数对AM50A镁合金铣削力和表面形貌的影响[J]. 张宏基,葛媛媛,唐虹,史耀耀,李增生. 西北工业大学学报. 2018(01)
[8]Bionic surface design of cemented carbide drill bit[J]. YANG XiaoFeng,XIA Re,ZHOU HongWei,GUO Lu,ZHANG LiJun. Science China（Technological Sciences）. 2016(01)
[9]Influence of Non-smooth Surface on Tribological Properties of Glass Fiber-epoxy Resin Composite Sliding against Stainless Steel under Natural Seawater Lubrication[J]. WU Shaofeng,GAO Dianrong,LIANG Yingna,CHEN Bo. Chinese Journal of Mechanical Engineering. 2015(06)
[10]国内汽车模具行业发展状况与趋势[J]. 孟宇. CAD/CAM与制造业信息化. 2012(04)
博士论文
[1]凹坑形仿生非光滑轧辊耐磨性研究[D]. 杨卓娟.吉林大学 2006
硕士论文
[1]耐磨仿生表面高速铣削加工方法研究及其性能分析[D]. 朴明健.哈尔滨理工大学 2019
[2]基于服役性能的高速铣削淬硬钢表面质量研究[D]. 刘洪丽.哈尔滨理工大学 2016
[3]具备多种生物特征的液力变矩器减阻增效研究[D]. 刘长锁.吉林大学 2015
[4]蝗虫后足的结构形态仿生信息采集及生物力学测试[D]. 高吭.吉林大学 2006
本文编号：3271371
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