基于单颗磨粒切削的氮化硅陶瓷精密磨削仿真与实验研究

【摘要】：工程陶瓷以其高强度、高硬度、耐磨、耐高温、耐化学腐蚀等优良性能，在工业、国防军工和航空航天等重要领域得到广泛应用。目前工程陶瓷等难加工材料的精密加工主要通过超硬精细磨料的精密磨削来实现。磨削加工过程本质上是由大量离散分布在砂轮表面的磨粒同时与被加工材料相互作用实现材料去除的过程，砂轮表面每一颗磨粒对被加工材料进行微观切削。因此单颗磨粒切削加工的机理研究成为认识复杂磨削加工机理的一种重要手段，砂轮表面形貌特征成为磨削过程建模与仿真、磨削过程优化不可缺少的前提条件。由于磨削加工成形机理复杂，导致磨削加工过程的工艺方案优选一直是困扰制造企业的难题。为了深化和推广工程陶瓷的应用，必须针对工程陶瓷精密磨削机理开展深入研究。 本文以氮化硅陶瓷精密磨削加工为研究对象，以砂轮表面形貌检测、单颗磨粒切削实验、砂轮磨削实验为基础，利用数值仿真技术进行砂轮表面形貌建模、单颗磨粒切削仿真、砂轮磨削仿真，进而采用改进遗传神经网络算法进行磨削加工工艺参数优化，实现氮化硅陶瓷工件的高效精密磨削。具体研究工作内容包括： 1）建立了考虑砂轮表面磨粒的尺寸、位置、角度、出刃高度分布与修整状态的砂轮表面形貌模型。通过金刚石砂轮表面形貌检测后的数字化图像处理与计数，并基于正态分布统计学规律表征了砂轮表面磨粒直径、尺寸分布、等效直径、体积密度、面积密度、平均间距等参数，选取截角八面体作为磨粒形状建立了砂轮表面形貌模型；验证了砂轮修整前后砂轮表面形貌模型的正确性，可有效用于磨削仿真。 2）建构了单颗磨粒切削的实验与仿真系统。设计并制备了包括砂轮盘、单颗磨粒块、平衡块三部分的单颗磨粒切削工具，进行了单颗磨粒切削正交实验；采用JH-2材料本构模型模拟氮化硅陶瓷的力学行为，选用截角八面体模拟金刚石磨粒，进行了单颗金刚石磨粒切削氮化硅陶瓷的切削过程仿真；揭示了砂轮线速度、工件速度、切削深度对磨削力、工件表面形貌的影响规律；实验验证了仿真系统的可行性。 3）进行了金刚石砂轮磨削氮化硅陶瓷的有限元仿真。将金刚石砂轮表面形貌的平面模型转化成圆面模型，根据磨削深度、磨削接触弧长等参数动态定义砂轮块与工件几何模型尺寸，进行了金刚石砂轮块磨削氮化硅陶瓷的仿真，分析仿真过程中氮化硅陶瓷工件的应力、磨削力、亚表面损伤深度的变化，讨论砂轮粒度、砂轮线速度、工件速度、磨削深度等工艺参数对氮化硅陶瓷工件的磨削力、亚表面损伤深度的影响规律，得出了与实验结果较一致的结论。表明金刚石砂轮磨削氮化硅陶瓷有限元仿真是正确合理的。 4）建立了基于砂轮表面形貌模型与单颗磨粒切削仿真的磨削亚表面损伤深度预测模型。通过金刚石砂轮块磨削氮化硅陶瓷的有限元仿真，揭示了磨削过程中氮化硅陶瓷工件的应力与亚表面损伤深度的关系；修正了动态有效磨粒的未变形切削厚度计算公式，结合金刚石砂轮表面形貌模型与单颗磨粒的切削仿真建立了砂轮—磨削工艺参数—工件亚表面损伤深度之间的关系模型。 5）建立了磨削工艺参数与加工结果之间的优化预测模型。从实验角度揭示了砂轮磨削最大未变形切削厚度与当量磨削厚度对磨削力、表面粗糙度、亚表面损伤深度的影响规律，建立了当量磨削厚度-亚表面损伤深度的经验公式；采用改进遗传神经网络，建立了金刚石砂轮磨削加工工艺参数优化模型，实现了金刚石砂轮磨削氮化硅陶瓷工件的质量预测与工艺优化。 6）建立了氮化硅陶瓷球面精密磨削工艺优化系统。从几何运动学角度分析了氮化硅陶瓷球面廓形工件砂轮法向跟踪精密磨削的运动模式、磨削接触区域与磨削接触弧长，采用正交实验揭示了砂轮粒度、砂轮半径、砂轮线速度、进给速度、磨削深度等工艺参数对工件表面粗糙度、亚表面损伤深度的影响规律；将基于砂轮表面形貌模型与单颗磨粒切削的磨削仿真、改进遗传神经网络优化算法应用于氮化硅陶瓷球面磨削加工，用于预测工件的表面粗糙度、亚表面损伤深度、加工时间，优化工艺参数。