砂轮约束磨粒喷射加工接触区压力场建模与验证

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基于单颗磨粒的砂轮切割负载建模与验证

在实际切割过程中，砂轮片每转一周，除了磨粒对工件的磨削力，还有磨粒对工件的摩擦力。当磨粒与工件初接触时，由于磨粒具有较大的负前角和较大的磨削刃长度，有磨粒没有磨削作用，此时磨粒对工件的作用力为摩擦力，直至磨粒在切割厚度增大至某临界值后才逐渐开始切下切屑，即磨削。
试验结果与讨论
结论

（1）在分析切割机切割负载的稳态特性的基础上，引入磨削力与摩擦力并存原理，提出了砂轮片周期特性，建立了单颗磨粒切割负载特性模型，有效预测了切割负载。（2）仿真和实验结果表明，砂轮片周期特性与实验结果较为吻合，建立的切割负载特性模型能够较为准确的预测实际切割负载，从而为实际加工中切割工艺参数优化和砂轮片选用提供理论支持和技术指导。
2108学术论文汇报
汇报人员：许晓娇汇报时间：2016/04/01
论文题目
基于单颗磨粒的砂轮切割负载建模与验证
目录

引言切割负载计算模型试验设备及方法试验结果与讨论结论
引言

砂轮切割实际上是靠砂轮表面随机排列的大量磨粒完成的。每一个磨粒均可近似地看做是一把微小的切刀。而研究单个磨粒的磨削过程，是研究砂轮切割的基础。本文从单颗磨粒的磨削研究入手，建立单颗磨粒磨削负载计算模型，进而采用数理统计的方式，建立砂轮切割负载计算模型，优化砂轮切割过程的工艺参数，有效预测砂轮切割力大小。为自动化设备提供理论依据。
切割负载计算模型

综合磨削力和摩擦Байду номын сангаас，得到砂轮切割负载模型最终表达式可表示为：
切割负载计算模型
4切割负载计算模型优化
经大量实际切割试验发现，由于砂轮片转动的周期特性的变化，砂轮切割曲线近似于一个正弦函数表达式。因此，最终砂轮切割负载模型表达式可表示为：

工程硕士：磨粒有序化排布超硬砂轮磨削力工程的研究

工程硕士：磨粒有序化排布超硬砂轮磨削力工程的研究第1章绪论1.1 课题背景1.1.1 课题的提出由于普通砂轮存在着磨粒易脱落、磨削比能高、修整频繁、加工塑性金属材料易堵塞等问题，已不能完全满足在航空航天、国防军工、能源、化工、汽车等重要部门中不断涌现出的许多难加工材料进行高速、高效、高精度的加工要求，如钛合金、高温合金、TiAl、NiAl 及难熔金属硅化物等金属间化合物基高温结构材料、超高强度钢以及结构陶瓷和功能陶瓷等。

因此，致力于研究开发新型超超硬磨料成为人们研究的热点问题[3]。

与磨粒随机排布的普通砂轮相比，由于简单的制造技术，单层磨料电镀超硬砂轮表现出较为明显的优势，使超硬砂轮的份额在生产中占据相当大的比例，在高速甚至超高速磨削中的地位是不可忽视的。

单层高温钎焊超硬磨料钎焊砂轮因其具有很高的磨粒把持强度和磨粒裸露高度，在当今磨削技术中也占有不可忽视的地位。

但都存在一些问题，电镀砂轮镀层较厚时易造成堵塞、砂轮基体的结构设计及制造精度严重影响砂轮的回转精度和几何形状精度问题。

精密和超精密磨削所用砂轮会随着磨料颗粒的减小而增大控制电镀层厚度的困难程度，镀层过厚会将微磨粒完全包裹，导致磨削性能的下降。

当磨料粒度达到微米级时，对基体同轴度、平面度、圆柱度等形位误差要求更加严格，从而增加了砂轮的制造难度和成本。

更值得注意的是：无论是电镀砂轮或是钎焊超硬磨料砂轮，磨粒在砂轮基体表面大都是呈无规则的随机分布的，因此在磨削的过程中，真正去除工件材料的有效磨粒很少，大量无效的磨粒的存在使砂轮的制造成本显著增加，此外大量多余磨料的存在还使参与磨削的有效磨粒受到严重干扰，为砂轮的磨削性能造成很大的影响，如加工效率降低、加工表面质量差、砂轮寿命降低等。

为此想到，若能规划和控制磨粒在砂轮表面的数量和位置，通过对磨粒的可控排布，使磨粒在磨削接触区内按需发挥磨削作用，这样不仅可以节省大量超硬磨料，还可以有效减少砂轮堵塞、降低磨削温度等，从而获得最佳的磨削性能。

砂轮三维形貌建模

砂轮三维形貌建模是一种通过计算机视觉和测量技术，对砂轮表面的三维形貌进行精确建模的方法。

这种方法在磨削加工、刀具制造、材料科学等领域有广泛的应用。

首先，我们需要了解砂轮的基本结构。

砂轮通常由多孔的磨粒粘合在一起，形成一层坚硬的表面。

这层表面可能存在各种形状和大小的凹凸不平，这些凹凸对砂轮的磨削性能有重要影响。

因此，对砂轮表面的精确建模有助于我们了解其性能，并进行优化。

三维形貌建模的过程主要包括图像采集、图像处理和三维重建三个步骤。

首先，我们需要使用高分辨率的相机对砂轮表面进行拍摄，尽可能地捕捉到每一个细节。

在拍摄过程中，需要注意环境光照、相机角度和距离等因素，以确保获得高质量的图像。

接下来是图像处理阶段。

这个阶段的任务是处理图像数据，提取出砂轮表面的三维几何信息。

这通常需要使用图像处理和计算机视觉的技术，如边缘检测、形状匹配、三角测量等。

这些技术能够从图像中识别出砂轮表面的特征，如沟壑、凸起等，从而构建出砂轮的三维形貌模型。

最后是三维重建阶段。

这个阶段是将提取出的几何信息转化为三维模型的过程。

通常使用三维建模软件，如3D MAX、Blender等，将提取出的特征点、线、面进行组合，构建出砂轮的三维形貌模型。

这个模型可以直观地展示出砂轮表面的形态，为进一步的研究和应用提供基础数据。

总的来说，砂轮三维形貌建模是一个涉及图像采集、图像处理和三维重建的技术过程。

通过这个过程，我们可以获得砂轮表面的精确三维形貌模型，为进一步的研究和应用提供基础数据。

然而，这个过程也面临着一些挑战，如环境光照、相机分辨率、图像处理算法的准确性等。

因此，在实际应用中，我们需要根据具体情况选择合适的设备和技术，以确保获得准确的三维形貌模型。

基于冲击原理的磨削接触区及磨削力建模

一、引言磨削是一种重要的金属加工方法，利用磨粒在磨削接触区与工件表面的相互作用，使工件表面得到加工和改善。

磨削接触区是磨削过程中最重要的部分，磨削接触区的磨削力和磨削温度是影响磨削加工质量和磨削效率的重要因素。

因此，对磨削接触区的研究和建模具有重要的理论和应用价值。

二、冲击原理冲击原理是磨削接触区研究的基础。

磨削过程中，磨粒与工件表面的相互作用可以分为两种类型：切削和冲击。

切削是指磨粒在磨削接触区的滚动和滑动运动，与工件表面的物质剪切和切削。

冲击是指磨粒在磨削接触区的弹性变形和塑性变形，与工件表面的物质冲击和压缩。

冲击是磨削接触区中的主要力学现象，是磨削加工中磨削力和磨削温度的主要来源。

三、磨削接触区的研究磨削接触区的研究可以分为实验研究和数值模拟两种方法。

实验研究是通过磨削试验和表征技术来研究磨削接触区的力学特性和物理特性。

数值模拟是通过建立磨削接触区的数学模型和计算模拟方法来研究磨削接触区的力学特性和物理特性。

本文主要介绍数值模拟方法。

四、磨削接触区的建模磨削接触区的建模可以分为宏观模型和微观模型两种方法。

宏观模型是基于宏观力学和热力学原理，建立磨削接触区的整体力学和热力学模型。

微观模型是基于分子动力学和有限元方法，建立磨削接触区的微观力学和热力学模型。

本文主要介绍宏观模型方法。

宏观模型的建立需要考虑以下因素：磨粒形状和大小、磨削速度和进给量、磨粒与工件表面的接触形式、磨粒与工件表面的摩擦系数、磨削液的类型和流量、磨削接触区的热传导和热对流等。

根据这些因素，可以建立磨削接触区的力学和热力学模型，计算磨削接触区的磨削力和磨削温度。

五、磨削接触区的应用磨削接触区的研究和建模在磨削加工中具有重要的应用价值。

通过磨削接触区的研究和建模，可以优化磨削加工参数，提高磨削加工质量和效率。

例如，在高速磨削中，可以通过优化磨削液的类型和流量，减小磨削接触区的热影响，提高磨削加工的质量和效率。

在超精密磨削中，可以通过优化磨粒形状和大小，控制磨削接触区的力学和热力学特性，实现高精度和高效率的磨削加工。

磨削温度场建模及热传递分析与实验验证

磨削温度场建模及热传递分析与实验验证张东坤;李长河;贾东洲;张彦彬【摘要】以磨削原理为基础,分别建立了干磨削、湿磨削和纳米粒子射流微量润滑磨削的温度场理论模型,分别对各种冷却条件下的温度场进行热量的传递分析.借鉴强化换热理论,分析了纳米粒子射流的导热特性,并对纳米粒子射流微量润滑磨削温度场能量的分配进行分析,理论推导出由砂轮/工件界面传入工件的能量比例系数及工件平均表面温度,用4种冷却方式进行磨削实验,分别通过红外热像仪和测力仪测得工件的表面温度和切向磨削力,并计算出传入工件的能量比例系数,证实浇注式磨削能量比例系数最低,其次为纳米粒子射流微量润滑磨削,分别为40.06％和46.47％.【期刊名称】《制造技术与机床》【年(卷),期】2015(000)004【总页数】6页(P82-87)【关键词】磨削;磨削温度;能量比例系数;纳米粒子射流【作者】张东坤;李长河;贾东洲;张彦彬【作者单位】青岛理工大学机械工程学院,山东青岛266033;青岛理工大学机械工程学院,山东青岛266033;青岛理工大学机械工程学院,山东青岛266033;青岛理工大学机械工程学院,山东青岛266033【正文语种】中文【中图分类】TG580磨削加工不同于车削和铣削等加工方式，由于切削厚度较小，砂轮与工件相互作用所作的功转化为热量，大约60% ～95%的热量被传入工件，仅有不到10%的热量被磨屑带走［1］。

传入工件的热量来不及传入工件深处，在工件表面层积聚形成局部高温，当温度超过某一临界值时，就会引起表面热损伤，如表面氧化、烧伤、残余应力和裂纹等，最终会降低工件的可靠性和砂轮的使用寿命。

因此，研究磨削加工中工件表面的冷却换热具有重要意义。

在实际生产中，广泛采用向磨削区供给大流量磨削液的浇注式供液法，有效降低磨削区的温度。

早在20世纪60年代，哈工大的侯镇冰、上海交通大学的贝季瑶［2］就开始了磨削温度的理论研究，推导了计算磨削区温度的公式。

基于数值建模的砂轮形貌仿真与测量

式中 Sc——平面所截磨粒截面积 N——磨粒与平面干涉的个数 ri——磨粒截面半径平面 A'沿箭头方向以固定间距分割砂轮，截面所得磨粒面积和将发生变化，随磨粒振动次数的增加，面积和之间的差异将逐渐降低。以不同位置截面面积和标准差来表征磨粒分布均匀程度，如式(8)
S 1 nd 2 Sc i Sm nd 1
π Lr d ave 1 4Vg
(4)
1
砂轮基本参数
当磨粒按照固定间距 Lr 在空间完成排布后，根据式(3)改变砂轮体积内磨粒直径的大小，使其直径服从正态分布，而对磨粒施加的随机移动函数如式 (5)所示
砂轮建模初期，由于球形磨粒涉及变量参数少，易于设定振动位移和进行干涉检验，当模型确定后，用不规则多面体来替换球形以分析砂轮形貌特征。制造砂轮的过程中，其主要特征参数为粒度 [11] MALKIN 和组织代号，即磨粒的大小和分布浓度，定义了磨粒平均直径 dave 和砂轮浓度 Vg，其表述如式(1)和式(2)所示 d ave 68M 1.4 (1) Vg 2(32 S ) /100 (2) 式中 M——磨粒粒度 S——砂轮组织代号实际砂轮制造过程中，磨粒需要经过两次筛选，其直径分布在两次筛选工具孔径之间。由 HOU [12] 等分析测量大量磨粒，其直径 dg 符合正态分布，其函数如式(3)所示
第 48 卷第 23 期 2012 年 12 月
机
械
工
程
学报
Vol.48 Dec.
No.23 2012
JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING
DOI：10.3901/JME.2012.23.184
基于数值建模的砂轮形貌仿真与测量*

高速砂轮切割试验机的研制及磨切区温度场仿真的开题报告

高速砂轮切割试验机的研制及磨切区温度场仿真的开题报告一、选题背景及意义高速砂轮切割试验机是一种用于模拟工业生产中高速砂轮切割过程的实验设备，可以对不同材料的切割性能进行测试及分析。

砂轮切割工艺在现代工业生产中应用广泛，高速切割技术的发展推动了工业生产的进步。

因此，对于开发新型高效砂轮和优化切割工艺具有重要的现实意义。

同时，砂轮切割过程中温度的升高会对工件和砂轮的质量产生一定的影响，因此磨切区温度场的研究也具有重要的理论价值。

二、研究目标及内容本课题的研究目标是开发一种高速砂轮切割试验机，并利用数值模拟方法对其切割过程中的磨切区温度场进行仿真分析。

主要研究内容包括：1.设计开发高速砂轮切割试验机的主要结构，包括砂轮和工件的位置定位、砂轮的转速和进给速度控制、以及切割力和切割温度的测量系统等。

2.确定试验参数及材料样品，对不同材料、不同切割速度和切割深度进行实验测试，并记录切割力和切割温度数据。

3.建立高速砂轮切割试验机的热传导数值模型，利用有限元方法对切割过程中磨切区的温度场进行仿真分析。

4.分析仿真结果，探究不同试验参数对磨切区温度场的影响规律，并提出相应的优化方案，以提高切割效率和质量。

三、研究方法本研究采用实验测试和数值模拟相结合的方法，通过设计开发高速砂轮切割试验机，对不同材料的切割性能进行测试和分析，并建立热传导数值模型进行仿真分析。

具体实验步骤如下：1.确定试验参数，包括砂轮转速、进给速度、切割深度等。

2.制备不同材料的样品，进行切割性能测试，记录切割力和切割温度数据。

3.利用数值模拟软件建立高速砂轮切割试验机的热传导数值模型，模拟切割过程中磨切区的温度场变化。

4.分析仿真结果，探究不同试验参数对磨切区温度场的影响规律，并提出相应的优化方案。

四、预期成果及意义本研究的预期成果包括：1.成功研发高速砂轮切割试验机，能够对不同材料的切割性能进行测试和分析。

2.建立高速砂轮切割试验机的热传导数值模型，对切割过程中磨切区的温度场进行仿真分析。

球面磨削中砂轮磨损量的理论和实验研究

分块杯形砂轮是在传统杯形砂轮的基础上改进而成，如图 1 所示，将砂轮块胶结在金属基体（图 1a ）上，并采用紧定螺钉将单个砂轮块安装在砂轮盘（图 1b ）上，如图 1c 示。根据不同的磨削条件，可安装 2 ～ 8 块砂轮块。这是一种砂轮块多点分布的结构形式，球体表面涂层材料的去除方式是通过各个砂轮块对材料的磨削来共同完成的。
2 2 2 当 0 ＜ re ≤l y / 2 － sy 时，积分区域 D 为 x + y = re ，则：
（ rp 槡
－ rw ）
2
－ x2 － y2
X 方向经的剖面图，砂轮和工件的几何关系如图所示，过 O 点垂直于 YOZ 平面。
V s = πn s （ 3 r p － s z ） r2 s /3 S ww = 2 πn s r p r s re 槡
2
Co 涂层。由于建立理论模型时假设砂轮块与工件的－ s2 y + sz － rp ） rp 槡
2
（ 9）（ 10 ）
S ww = 2 n s l y r p arcsin（ l x / 2
－ s2 y）
起始接触点为砂轮块中心，因此在安装砂轮块时使砂轮块平面与工件相切于砂轮块中心位置。
y r p arcsin
－当 r e ＞ l x / 2 时，积分区域 D 为 l x / 2 ≤x≤ － l x / 2 ，
· 97 ·
槡
1 －
l y / 2 + s y ≤y ≤l y / 2 + s y ，则： Vs = ns lx ly （ rp 槡
关键词：球面磨削杯形砂轮砂轮磨损磨损量中图分类号： TG580． 1 + 1 文献标识码： A

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ｃｎｉｕｔｑａｉｎ．Ｔｈｉｌｉｎｒｕｔｆｈｅ－ｉｎｉｎｌｙｒｄｎｍｉｐｅｓｒｈｗａｈｏｔｎｉｅｕｔｓｙｏｅｓｍｕａｏｅｌｏｒｅｄｍｅｓａｄｏｙａｃｒｓｕｅｓｏｔｔｔｅｔｓｓｔｏｈｈ
ｍｉｉｍｌａａｃｅｗｅｎｗｈｅｎｒｐｅｅｎｈｅｋｐｅｕｅｉｅｅａｅｓｈｎ — ｎｍｕｃｅｒｎｅｂｔｅｅｌｄｗｏｋｉｃ，ａｄｔｅｐａｒｓｒｇｎｒｔｄｊｔｉｔｅｍｉｉａｓｕｎ
ｈｙｒｄａｃｐｒｓｕｅｉｉｅｔｙｐｒｐｒｉｎｏｇｎｄｎｇｗｈｅｌｖｌｃｔｎｎｅｓｌｒｐｒｉｎａｏｄｏｙｍｉｅｓｒｓｄｒｃｌｏｏｔｏａｔｒｉｎｌｉｅｅｏｉｙａｄｉｖｒｅｙｐｏｏｔｏｌｔ
李长河，蔡光起，修世超，刘枫
（．１青岛理工大学机械工程学院，山东青岛２６３；．６０３２东北大学机械工程与自动化学院，辽宁沈阳１００）１０４
摘要：根据Ｎａｉ —ｔｋｓｖｅＳｏｅ方程和流体流动的连续性方程，立了砂轮约束磨粒喷射精密光整ｒ建加工中砂轮与工件楔形接触区流体动压力的三维数学模型；对楔形接触区三维流体动压力进行仿真，结果表明：流体动压力随砂轮速度的提高，小间隙的降低而增加，最最大压力峰值发生在砂轮与
触区流体压力场分布。
关键词：机械制造工艺与设备；砂轮；形接触区；流体动压力；论模型；仿真楔理中图分类号：Ｈ１１１Ｔ５０文献标志码：Ｔ６．；Ｇ８Ａ文章编号：００１９（０７０—２２０１０—０３２０）２００—４
ｗｏｋｉｃｎａｒｓｖｔｆｉｈｎｔｅｌｓｒｔａｎｓｅｔｂｉｈｄｂｓｄｏｖｅ－ｔｋｄｒ．ｅｅｏ Байду номын сангаасｂａｉｅｊｉｓｉｇｗｉｈｗｈｅｅｒｉｔｗａｓａｌｅａｅｎＮａｉｒＳｏｅａｐｅｎａｓｓｓｎ
ＨｙｒｄｎａｃＰｒｓｕｅＭｏｅｉｇａｄＶｅｉｉａｉｎｏｎａｔＺｏｎｄｏｙｍｉｅｓｒｄｌｎｎｒｆｃｔｏｆＣｏｔｃｎｅｏ
ＡｂａｉｅＪｔＦｎｓｉｇｗｉｈＧｒｎｉｇＷｈｅｓＲｅｔａｎｒｓｖｅｉｉｈｎｔｉｄｎｅｌｓｒｉｔａ
ｍｕｃｅｒｎｃｅｉｎｉｍｌａａｅｒｇｏｎｗｈｉｈｔｇｅｅｓｒｒｄｅｃｕｓＩａｓｏｌｄｄｔａｈｃｈｅｈｉｈｒｐｒｓｕｅｇａｉｎｔｏｃｒ．ｔｃｎａｏｂｅｃｎｃｕｅｈｔｔｅｌｐｅｓｒｉｔｂｔｏｓｕｆｒｉｔｉｅｔｏｏｄｈｏｒｓｕｅｄｓｒｕｉｎｉｎｉｏｍｎｈｅｄｒｃｉｎｆｗｉｔｆｗｈｅｌｅｃｐｔｔｄｅｏｉｅｘｅｔａｈｅｅｇｆｗｈｅｌｉｅｎｗｈｉｈｃ
Ｕｎ２ＬＩＣａｇｈｈｎ — ｅ，ＣＡＩＧｕｎ — ｉ，ＸＩＳｉｈｏＬＩＦｅｇａｇｑ２Ｕｈ — ａ２ｃ
，
（．ｃｏｌｆｃａｉｌｎｉｅｒｇｉｇａｅｈｏｇａＵｉｒｔ，Ｑｉｇａ６０３ｈｎｏｇｈａ１Ｓｈｏｏｈｎｃｇｅｉ，ＱｎｄｏＴｃｎｌｉｌｎｖｓｙＭｅａＥｎｎｏｃｅｉｎｄｏ２６３，Ｓａｄｎ，Ｃｉ；ｎ２ｓｈ０ｏｃａｉｌｎｉｅｉｇａｄＡｔｍａｏ，ｒｅｓｒｉｒｔ，ｈｎａｇ１００，Ｌａｎｎ，Ｃｉａ．ｃｃｌＭｅｈｎｅｇｎｒｎｕｏｔｎＮｏｔａｔｎＵｎｅｉＳｅｙｎ１０４ｉｉｇｈ）ｆａＥｅｎｉｈｅｖｓｙｏｎＡｂｔａｔｓｒｃ：Ｔｈｈｅ－ｉｎｉｎｙｒｄｎｍｉｐｅｓｒｄｌｆｗｅｇ — ｋｏｅｂｔｅｅｌｎｅｔｒｅｄｍｅｓａｈｄｏｙａｃｒｓｕｅｍｏｅｄｅｌｅｚｎｅｗｅｎｗｈｄｏｌｏｉａ
工件最小间隙区域，且在该区域压力梯度变化明显。除了在砂轮宽度边缘产生侧泄外，在砂轮宽度
方向流体动压力分布规律相同。随着砂轮与工件之间最小间隙的减小，动压力峰值区域曲线变窄；对砂轮与工件之间楔形区域形成的流体动压力进行了实验研究，实验结果表明：依据Ｎａｉ —ｔｋｓｖｅＳｏｅｒ方程和流体流动的连续性方程建立的动压力理论模型与实验结果吻合，论模型能很好的预测接理
维普资讯
第２第２期８卷
２００７２月年
兵
工
学
报
Ｖ０．８ＮＯ２１２．Ｆｂ２０ｅ．０７
ＡＣＴＡＭＡＭＥＮＴＡＲＩＡＲＩ
砂轮约束磨粒喷射加工接触区压力场建模与验证