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BK7光学玻璃超声振动磨削力建模及工艺实验的研究

刘硕  
【摘要】:BK7光学玻璃具有密度低、耐高温、耐腐蚀等优异的物理和化学性能,被广泛应用于高新技术领域,但由于其硬度大,断裂韧性低等特点,使用传统加工方法会产生较大的切削力,对加工零件的质量和使用性能都会产生不利影响。超声振动磨削加工技术是在传统磨削加工的基础上沿砂轮轴向施加高频振动作用,超声振动作用能够增大磨粒的磨削弧长、降低切屑厚度,可以有效降低磨削力,并提高工件加工表面质量。磨削力是直接影响光学玻璃材料去除方式及加工表面质量的主要因素之一,建立BK7光学玻璃超声振动磨削力模型,实现磨削力的有效预测与控制,对提高加工表面质量和加工效率都具有重要的理论意义和实用价值。超声振动磨削加工光学玻璃过程中,砂轮表面金刚石磨粒的位置、突出高度等分布特征与磨削力的幅值密切相关。本文利用激光共聚焦显微镜获得了金刚石砂轮的局部表面形貌数据,通过对采样数据中砂轮曲率信息和噪声信号进行处理,得到了磨粒在砂轮表面突出高度及水平面位置的分布特征。根据以上数据及分析重构了砂轮表面的形貌,建立了相应的仿真模型,通过对比砂轮表面形貌的仿真结果与实测结果,验证了仿真模型的有效性。上述研究结果为分析磨粒与工件表面的接触状态、确定磨粒所处切削阶段以及建立超声振动磨削力模型等研究奠定了基础。根据加工过程中运动学特征的区别,轴向超声振动磨削可以分为侧面磨削与端面磨削两种加工方式。本文首先对超声振动作用下磨粒的运动学和动力学进行了分析,综合上述砂轮形貌及磨粒分布特征的研究结果,分别建立了超声振动侧面磨削及端面磨削的磨削力模型。侧面磨削力建模主要考虑了磨粒与工件的接触状态及相互作用关系,在对普通侧磨和超声振动侧磨的磨削要素进行对比分析的基础上,结合磨粒在材料去除过程中与工件不同作用阶段产生的磨削力,建立了超声振动侧面磨削力模型;超声振动端磨力建模通过对光学玻璃材料去除方式进行分析建立了材料去除率模型,结合单颗磨粒产生的磨削力和冲量相等定理,建立了超声振动端面磨削力模型。进行了BK7光学玻璃超声振动磨削实验,验证了磨削力模型的有效性。在此基础上,仿真分析了工艺参数对磨削力的影响趋势,为后续工艺参数优化的研究提供了依据。根据以上研究,以所建立的超声振动磨削力模型为基础,对BK7光学玻璃超声振动磨削工艺参数的优化进行了研究。本文选择非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)作为优化方法,以光学玻璃加工表面质量为目标函数、超声振动磨削的磨削力和材料去除率为约束条件、工艺参数为决策变量,建立了工艺参数优化模型,并通过实验验证了优化方法的有效性,为实现光学玻璃高效精密加工提供了依据。


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