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超声磨削表面残余应力工艺实验与回归分析

西南交通大学学报 2017年第3期52卷 612-617页

作者：何玉辉周剑杰周群唐楚万荣桥唐进元中南大学高性能复杂制造国家重点实验室湖南长沙410083 中航工业南方航空工业有限公司湖南株洲412002

为了探索超声磨削的工艺特性,研制了轴向超声磨削加工实验装置,对45钢进行实验研究,采用i XRD便携式高速残余应力分析仪测量磨削表面残余应力,从实验角度分析磨削工艺参数对残余应力的影响,建立了残余应力关于磨削深度、超声振幅和砂轮... 详细信息

为了探索超声磨削的工艺特性,研制了轴向超声磨削加工实验装置,对45钢进行实验研究,采用i XRD便携式高速残余应力分析仪测量磨削表面残余应力,从实验角度分析磨削工艺参数对残余应力的影响,建立了残余应力关于磨削深度、超声振幅和砂轮线速度的回归方程,并用该方程预测表面残余应力.研究结果表明:普通磨削和超声磨削均在试件表面产生残余压应力,且轴向方向的残余压应力显著大于磨削方向的残余压应力;磨削深度和超声振幅能够增大残余压应力,砂轮线速度的增加会降低残余压应力;预测值与实验值的最大相对误差不超过5%,验证了该模型能有效预测超声磨削加工表面残余应力.

关键词：残余应力超声振动磨削回归分析预测模型

超声振动对磨削砂轮表面形貌参数的影响及其修整效果评价研究

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工具技术 2023年第9期57卷 110-114页

作者：连顺禹杨绿刘冲吴怀超贵州大学机械工程学院贵阳市550025

超声振动磨削技术在难加工金属材料的高效、高质量磨削中具有突出优势。为了揭示普通磨削(TG)和超声振动磨削(UVG)方式下砂轮表面形貌参数的变化规律,量化评价超声振动辅助磨削砂轮的原位修整效果,初选了砂轮形貌考察参数,运用灰色关联... 详细信息

超声振动磨削技术在难加工金属材料的高效、高质量磨削中具有突出优势。为了揭示普通磨削(TG)和超声振动磨削(UVG)方式下砂轮表面形貌参数的变化规律,量化评价超声振动辅助磨削砂轮的原位修整效果,初选了砂轮形貌考察参数,运用灰色关联法研究了砂轮形貌考察参数与磨削力、磨削表面粗糙度之间的关联程度,提出了评价超声振动辅助磨削砂轮修整效果的建议指标。结果表明:与TG磨削相比,UVG的磨削力和磨削表面粗糙度均有所降低,超声振动作用对砂轮表面形貌参数和砂轮锐性产生了较大影响,灰色关联分析表明,形貌考察参数S_(pk),S_(ds),S_(sc),S_(q),S_(a),S_(vk)可作为超声振动磨削砂轮修整效果的指标。

关键词：超声振动磨削砂轮形貌参数修整效果灰色关联法

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超声辅助ELID砂轮锐化机理研究

超声辅助ELID砂轮锐化机理研究

作者：刘冲贵州大学

学位级别：硕士

超声辅助ELID磨削技术(UAEG)由超声振动磨削技术(UVG)以及ELID磨削技术复合而成,该技术有望成为高速钢轧辊等难加工材料的高效精密磨削问题的解决方案。本文以高速钢UAEG磨削为研究对象,以揭示超声振动、ELID协同砂轮锐化作用机理及锐... 详细信息

超声辅助ELID磨削技术(UAEG)由超声振动磨削技术(UVG)以及ELID磨削技术复合而成,该技术有望成为高速钢轧辊等难加工材料的高效精密磨削问题的解决方案。本文以高速钢UAEG磨削为研究对象,以揭示超声振动、ELID协同砂轮锐化作用机理及锐化效果评价为目的。基于有限元数值模拟和实验研究相结合的方法,揭示了砂轮锐化机理;应用灰色关联分析方法研究了砂轮表面形貌参数与磨削力、磨削表面粗糙度的关系,提出了砂轮锐化效果评价的关键指标。具体工作如下:(1)研究了超声振动砂轮锐化机理、锐化效果评价方法及其锐化效果评价指标。首先,通过对比电解液的空化阈值与单颗磨粒区域流场压力仿真结果,证明了超声振动激励电解液能够产生空化效应。其次,高速钢材质UVG和普通磨削实验结果发现:本文条件下,UVG法向磨削力最大降低约28%,切向磨削力最大降低约36%;磨削表面粗糙度最大降低约4.2%。再次,选定了砂轮表面形貌参数Spk、Svk、Sk、Sds、Ssc、Sq、Sa、Ssk以及Sku作为评价砂轮锐化效果的考察参数,对比分析了UVG和普通磨削实验后的砂轮表面形貌,揭示了超声振动砂轮锐化机理,即在超声空化效应的清洗作用下,降低了砂轮表面粗糙度,增大了容屑空间,增加了单位面积磨粒数,提升了磨粒高度集中性。最后,基于灰色关联分析方法,研究了砂轮表面形貌参数与磨削力、磨削表面粗糙度之间的关联度,确定了砂轮形貌参数Spk、Sds、Ssc、Sq、Sa、Svk作为评价超声振动砂轮锐化效果的指标。(2)研究了ELID砂轮锐化机理及其锐化效果评价指标。首先,基于氧化膜生成速率模型,仿真分析了影响氧化膜厚度的主要参数。其次,高速钢材质ELID和普通磨削实验结果发现:本文条件下,同普通磨削相比,ELID法向磨削力最大降低约90%,切向磨削力最大降低约86%;磨削表面粗糙度最大降低约44%。再次,对比分析了ELID和普通磨削实验后的砂轮表面形貌,揭示了ELID砂轮锐化机理,经过ELID锐化后砂轮表面形貌参数的变化幅度较为明显,砂轮金属粘结剂的电解,促使钝化磨粒脱落,新生磨粒不断地暴露,参与承载单位面积的浅层磨粒数有明显的提高,磨粒的突出高度以及锐性都得到了提升,有助于降低磨削力;氧化膜的弹性变形提升了磨粒突出高度的集中性,有利于降低磨削表面粗糙度;过高的电压和占空比使ELID磨削砂轮氧化膜过厚,引起导致砂轮表面粗糙度变大,过多的脱落磨粒难以及时排出磨削区域,对磨削表面粗糙度产生不利影响。最后,确定了砂轮形貌参数Sds、Spk、SK、Sa、Sq作为评价ELID砂轮锐化效果的指标。(3)研究了超声辅助ELID砂轮协同锐化机理及其锐化效果评价指标。首先,实验研究了超声振动对ELID电解氧化膜致密性的影响,发现超声振动有利于提高氧化膜的致密性。其次,UVG、ELID以及UAEG磨削实验结果发现:UAEG磨削力以及磨削表面粗糙度最小,ELID次之,UVG最大,UAEG法向磨削力较UVG降低约37.1%,UAEG切向磨削力对应降低约34.8%;磨削表面粗糙度较UVG降低约20.1%。再次,对比分析了UVG、ELID以及UAEG磨削实验后的砂轮表面形貌,揭示了超声辅助ELID砂轮锐化机理,即在ELID砂轮锐化的基础上,降低了砂轮表面的粗糙度,增加了容屑空间,提高了磨粒突出高度的集中性,有利于降低磨削表面粗糙度和磨削力;在超声振动砂轮锐化的基础上,增加了单位面积磨粒数,提升了磨粒突出高度和锐性,有利于降低磨削力;超声辅助ELID砂轮锐化后砂轮表面形貌参数得到中和,比如Spk、Ssc、Sku等,进一步降低了磨削力和磨削表面粗糙度。从次,研究了超声辅助ELID高效磨削机理,即超声振动增加了磨粒犁沟行程,同时一定厚度氧化膜的弹塑性变形增加了单颗磨粒的切深,两者共同作用提升了材料去除率。最后,确定了砂轮形貌参数Sq、Sa、Sds、SK作为评价超声辅助ELID砂轮锐化效果的指标。

关键词：锐化机理超声辅助ELID磨削超声振动磨削 ELID磨削锐化效果评价

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超声振动平面磨削的表面残余应力数值模拟

现代制造工程 2017年第10期 1-7页

作者：何玉辉周剑杰万荣桥唐楚唐进元中南大学机电工程学院长沙410083

应用Deform-3D有限元软件进行具有负前角磨削刃的单颗磨粒磨削加工过程仿真,并设计制造了旋转轴向超声振动平面磨削实验装置进行工艺实验,分别得到45钢在不同磨削工况下的磨削表面残余应力仿真值和实验值,通过对比分析,发现两者的相对... 详细信息

应用Deform-3D有限元软件进行具有负前角磨削刃的单颗磨粒磨削加工过程仿真,并设计制造了旋转轴向超声振动平面磨削实验装置进行工艺实验,分别得到45钢在不同磨削工况下的磨削表面残余应力仿真值和实验值,通过对比分析,发现两者的相对误差在2.47%~16.93%之间,从而验证了所建磨削表面残余应力有限元模型的正确性。仿真结果表明:普通磨削和超声磨削在工件表面均产生残余压应力,且轴向残余压应力显著大于磨削方向残余压应力;表面残余压应力随着振幅、磨削深度、磨粒负前角和振动频率的增加而增加,随着砂轮线速度的增加而减小。

关键词：残余应力超声振动磨削单颗磨粒工艺参数仿真

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微晶云母陶瓷超声磨削深小孔表面质量的研究

微晶云母陶瓷超声磨削深小孔表面质量的研究

作者：王致远哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

随着科技的快速发展,陶瓷材料由于具有硬脆的难加工特性一直是机械加工的难点问题。对小直径的深孔加工来说,生产效率低和加工后孔的表面质量差限制了其在国防和航空航天领域的发展。超声振动磨削技术(Ultrasonic Vibration Grinding,U... 详细信息

随着科技的快速发展,陶瓷材料由于具有硬脆的难加工特性一直是机械加工的难点问题。对小直径的深孔加工来说,生产效率低和加工后孔的表面质量差限制了其在国防和航空航天领域的发展。超声振动磨削技术(Ultrasonic Vibration Grinding,UVG)是一种将传统磨削加工与超声振动加工结合在一起的新方法,具有切削力小、切削温度低等技术优势,适于陶瓷等难加工材料的加工。开展微晶云母陶瓷深小孔的超声振动磨削去除及表面质量的研究,对推动该材料在航空航天国防领域中的发展和陶瓷材料深小孔加工的应用,具有重要意义。微晶云母陶瓷独特的机械物理力学性质是影响其加工性能的关键因素。本文将研究微晶云母陶瓷的材料去除机制,动静态载荷对塑脆性去除转换的临界载荷和深度的影响,切削参数对刻划力、表面形貌的影响;建立磨削力的数学模型和多元回归模型,分析工艺参数对磨削力的影响规律和程度;最后对深小孔入孔表面圆度误差进行评定,对加工表面粗糙度信息进行了提取,分析磨削参数对加工表面质量的影响。本文首先采用楔形划擦划痕实验方法,对比有无超声振动作用下实际加工过程中材料的去除情况和磨削力变化规律。利用有限元软件LS-DYNA建立了微晶云母陶瓷材料的磨粒加工模型,仿真分析了超声振动对材料加工质量的影响。划痕实验和仿真结果表明,超声振动辅助加工有利于提高加工效率和加工表面质量。其次,根据超声振动磨削磨粒的的加工特性,联立理论和实际的材料去除率方程,建立了超声磨削深小孔的磨削力数学模型。设计单因素和正交试验并通过小波变换对磨削力数据进行降噪处理,取深度最大的磨削力值作为研究对象。研究表明,超声振动能大大降低磨削力并随超声功率和主轴转速增大而减小,随着进给速度增大而增大,影响程度按从大到小的规律依次为主轴转速、超声功率、进给速度。最后,对深小孔的表面质量进行了研究,通过数字化图像处理技术对深小孔入孔表面进行滤波和轮廓提取并采用最小区域法评定了圆度误差,通过单因素和正交试验分析工艺参数对圆度误差的影响规律;在对孔表面进行宏观轮廓分析的基础上对深小孔表面粗糙度的影响因素进行了分析,结果表明,增加主轴转速和超声功率,降低进给速度的方法能降低深小孔的表面粗糙度,超声振动能显著改善陶瓷深小孔的加工质量。

关键词：微晶云母陶瓷深小孔超声振动磨削去除机制磨削力表面质量

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超声辅助磨削工程陶瓷边界损伤机理研究

超声辅助磨削工程陶瓷边界损伤机理研究

作者：郭秋成河南理工大学

学位级别：硕士

工程陶瓷的高硬度、高耐磨和抗腐蚀性等优良的机械性能使其成功的应用于切削刀具、耐火材料和汽车零部件等领域,但是同时由于其难加工性,也制约了其更为广泛的使用。超声辅助加工在一定程度上改善了陶瓷材料难加工特性,提高其加工效率... 详细信息

工程陶瓷的高硬度、高耐磨和抗腐蚀性等优良的机械性能使其成功的应用于切削刀具、耐火材料和汽车零部件等领域,但是同时由于其难加工性,也制约了其更为广泛的使用。超声辅助加工在一定程度上改善了陶瓷材料难加工特性,提高其加工效率以及工件表面/亚表面质量。而随着科技不断的进步,目前零件表面/亚表面质量已经不能满足精密零件的高标准,其更是对边界质量提出了新的要求。基于此,本文着重对超声辅助磨削工程陶瓷边界损伤机理进行研究。为构建有效的工程陶瓷边界损伤预报模型,本文将从理论基础、有限元仿真和磨削试验三个方面对Al2O3、ZTA和Zr O2三种陶瓷的边界损伤进行讨论对比分析。首先,基于压痕边缘破碎估测断裂韧性理论,及普通磨削力和超声磨削力模型公式构建磨削陶瓷边界损伤预报模型。发现磨削参数、超声参数和材料特性均对工程陶瓷边界损伤有一定影响,且材料的断裂韧性对其边界损伤影响敏感度较高。其次,利用ABAQUS软件建立三维单颗磨粒磨削工程陶瓷模型,发现工程陶瓷在普通磨削和超声磨削两种情况下的边界损伤形式与实际磨削损伤形态相似,且其磨削力的大小也与实际情况相符。在仿真情况下,其磨削参数、超声参数和材料特性对边界损伤的影响趋势与预报模型相同。最后,通过设计磨削试验获得磨削参数、超声参数和材料特性分别与工程陶瓷实际磨削力和边界损伤值的关系曲线,并对上面的理论模型和有限元仿真分析结果进行了数值验证,发现:理论公式和有限元分别得到的普通和超声磨削力数值与试验值趋势相同,其中普通磨削力理论获得值与对应的试验值大小偏差较小,几乎相等;普通预报模型获得的边界损伤预报值与试验值趋势相同,且数值大小一致;超声预报模型利用断裂韧性角度推测的预报值比超声降低磨削力角度预报值更接近边界损伤试验值。

关键词：工程陶瓷超声振动磨削边界质量有限元仿真磨削力

超声ELID复合磨削ZTA陶瓷氧化膜特性研究

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超声ELID复合磨削ZTA陶瓷氧化膜特性研究

作者：贾晓凤河南理工大学

学位级别：硕士

氧化锆增韧氧化铝陶瓷是典型的脆硬难加工材料,具有优良的机械性能。超声ELID复合磨削加工技术作为一种新兴的复合加工技术,在ELID在线电解修整磨削技术的基础上融合了超声振动磨削的优点。与ELID在线电解修整磨削技术类似,金属结合剂... 详细信息

氧化锆增韧氧化铝陶瓷是典型的脆硬难加工材料,具有优良的机械性能。超声ELID复合磨削加工技术作为一种新兴的复合加工技术,在ELID在线电解修整磨削技术的基础上融合了超声振动磨削的优点。与ELID在线电解修整磨削技术类似,金属结合剂金刚石砂轮表面经过电化学反应产生的氧化膜在超声ELID复合磨削技术中起关键性作用,氧化膜的厚度、形成速率以及表面形貌对被加工工件的表面完整性有重要意义,故研究各个加工阶段的氧化膜状态的影响因素非常重要。本文针对超声ELID复合磨削技术中铸铁结合剂金刚石砂轮表面的氧化膜进行研究。通过分析氧化膜生成和去除机理,建立氧化膜的厚度理论预测模型,通过Matlab软件仿真分析得到不同加工参数对氧化膜厚度的影响趋势,揭示了氧化膜自适应磨削过程的规律;搭建了超声ELID复合磨削加工试验平台,主要包括超声声学系统的设计、刀柄连接结构的设计、ELID电解装置阳极设计、ELID修整装置阴极设计。根据电火花加工技术的加工原理,对铸铁结合剂金刚石砂轮进行整形试验,通过科学调节各阶段的整形参数,砂轮的初始圆度误差由32?m降低到2?m左右,砂轮表面凸出磨粒均匀分布,初步满足了超声ELID复合磨削对铸铁结合剂金刚石砂轮的形状精度要求和表面要求;进行超声ELID复合磨削试验,验证了氧化膜的厚度理论预测模型的科学性,通过单因素法归纳出电源电压、脉冲宽度与脉冲间隔、极间间隙、砂轮转速及超声振动对超声ELID复合磨削加工过程中预修锐阶段氧化膜的厚度、形成速率、表面形貌的影响机理;通过改变砂轮转速、工件转速、磨削深度、砂轮粒度,定性分析动态磨削过程中各参数对氧化膜状态的影响;进行停电光磨试验和停电光磨附加超声试验,揭示了超声振动对氧化膜抛光性的影响机理。

关键词：超声振动磨削 ELID磨削复合磨削氧化膜

超声ELID复合内圆磨削ZTA陶瓷磨削力和表面质量的研究

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超声ELID复合内圆磨削ZTA陶瓷磨削力和表面质量的研究

作者：李亚敏河南理工大学

学位级别：硕士

本文着重研究超声ELID复合内圆磨削ZTA陶瓷时的磨削力和表面质量。首先,建立超声ELID复合内圆磨削时磨削力的数学模型。其次,根据陶瓷断裂力学理论,结合已建立的磨削力模型,得出超声ELID复合内圆磨削ZTA陶瓷时的临界切削深度agc,通过数... 详细信息

本文着重研究超声ELID复合内圆磨削ZTA陶瓷时的磨削力和表面质量。首先,建立超声ELID复合内圆磨削时磨削力的数学模型。其次,根据陶瓷断裂力学理论,结合已建立的磨削力模型,得出超声ELID复合内圆磨削ZTA陶瓷时的临界切削深度agc,通过数值仿真得出其变化规律和敏感项。然后,对已有的ELID内圆砂轮整形和修锐装置进行改进设计,完成试验平台的搭建。最后,通过试验验证了磨削力模型的有效性,给出临界磨削深度agc对表面质量的影响趋势,以及临界磨削深度agc对磨削参数的敏感顺序。本文主要研究内容如下:(1)通过分析轴向施振状态下单颗磨粒内圆磨削的运动特点,建立单颗磨粒的运动轨迹方程,利用数值仿真的结果,对单颗磨粒的运动轨迹方程进行化简,得出单颗磨粒与工件的接触长度。同时通过分析ELID电化学作用对砂轮动态有效磨粒数的影响,将ELID电解参数引入到动态有效磨粒数中,最终建立超声ELID复合内圆磨削时磨削力的数学模型。(2)根据陶瓷材料断裂力学理论,得出陶瓷材料的临界压痕载荷下限值P*。结合超声ELID复合内圆磨削的实际情况,对单颗磨粒与工件过渡表面间的相互作用进行分析,给出超声ELID复合内圆磨削时P*的表达式,最终得出超声ELID复合内圆磨削时的临界切削深度agc。研究磨削参数对临界磨削深度agc的影响规律,通过对临界磨削深度agc与磨削参数之间关系的数值仿真,得出磨削参数和砂轮参数对临界磨削深度agc影响规律,以及临界磨削深度agc对磨削参数的敏感顺序。(3)对已有的ELID内圆砂轮整形和修锐装置进行改进设计,以保证与超声振动刀具系统的配合使用。其次,通过阻抗分析仪对所使用换能器的频率阻尼特性和电参数进行测定,设计出能用于超声振动刀具系统的上下式感应电能馈送器,并通过特定结构尺寸的支撑架和固定架实现超声振动刀具系统与机床主轴和感应盘的连接,完成了试验平台的搭建。(4)通过试验验证磨削力数学模型的有效性,得出磨削参数对磨削力的影响趋势。通过对已加工工件表面粗糙度和形貌进行测量和分析,得出磨削参数对表面粗糙度的影响规律和影响程度,验证临界磨削深度agc对表面质量的影响。

关键词：超声振动磨削 ELID磨削磨削力表面质量临界磨削深度

ZTA纳米复相陶瓷超声ELID复合磨削机理研究

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ZTA纳米复相陶瓷超声ELID复合磨削机理研究

作者：刘折河南理工大学

学位级别：硕士

硬脆材料镜面高效加工技术是超精密加工技术的一个重要分支,对发展航空航天、国防军工、信息、微电子和光电子等尖端科学技术具有重要意义。课题组提出将超声振动辅助磨削的精密高效与ELID磨削的超精密技术相复合,形成一种高效镜面加工... 详细信息

硬脆材料镜面高效加工技术是超精密加工技术的一个重要分支,对发展航空航天、国防军工、信息、微电子和光电子等尖端科学技术具有重要意义。课题组提出将超声振动辅助磨削的精密高效与ELID磨削的超精密技术相复合,形成一种高效镜面加工的超声ELID复合磨削技术。本文在国家自然科学基金的资助下,以陶瓷界研究热点之一的ZTA纳米复相陶瓷作为研究对象,基于压痕断裂力学和电解原理,对超声ELID复合磨削高效去除机理以及表面加工质量进行相关理论和试验研究。研究内容主要包括以下几个方面:(1)通过对实验室现有设备的改造,研制了一套超声ELID复合内圆磨削装置。对复合后的声学系统特性进行试验研究,结果表明,载荷的变化会对声学系统参数谐振频率、品质因数、动态电阻以及动态电感产生一定的影响,但由于本试验磨削力较小,不影响本试验正常进行。对所研制的复合装置进行了金属基结合剂金刚石砂轮的整形试验和修锐试验,结果表明:砂轮跳动度可达到2μm,修锐过程中氧化膜生长良好,满足超精密试验要求。(2)在对超声ELID复合磨削陶瓷材料去除机理分析的基础之上,建立超声ELID复合磨削材料去除率数学模型,并进行了试验验证。研究表明超声ELID复合磨削时的材料去除率显著高于ELID磨削。(3)基于压痕断裂力学理论和电解原理,在对超声振动单颗磨粒运动轨迹分析的基础之上,建立了超声ELID复合磨削磨削力数学模型,从理论上解释了各磨削参数、ELID电参数、声学参数对磨削力的影响规律以及超声ELID复合磨削磨削力低于ELID磨削磨削力的原因,并进行了试验验证。(4)以表面粗糙度为评价指标对超声ELID复合磨削表面质量进行研究,获得了不同加工参数对表面质量的影响规律,研究结果表明,超声ELID复合磨削的表面质量明显优于ELID磨削。本文研究结果有利于揭示超声ELID复合磨削高效镜面加工机理,进一步完善了硬脆材料的高效镜面加工理论,对发展国防等高新尖端技术具有重要的理论意义。

关键词：纳米复相陶瓷超声振动磨削 ELID磨削磨削力材料去除机理表面质量