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冠型软固结磨粒气压砂轮接触应力分析与试验研究

冠型软固结磨粒气压砂轮接触应力分析与试验研究

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作者：戴婷浙江工业大学

学位级别：硕士

激光强化技术可大幅提高模具表面的硬度和耐磨性,因而在模具制造业中得到越来越广泛的应用。为了改善半球型气压砂轮光整加工过程中接触应力分布不均匀而导致的激光强化模具表面光整效率低、面形精度难以控制等问题。本文结合现有直径4... 详细信息

激光强化技术可大幅提高模具表面的硬度和耐磨性,因而在模具制造业中得到越来越广泛的应用。为了改善半球型气压砂轮光整加工过程中接触应力分布不均匀而导致的激光强化模具表面光整效率低、面形精度难以控制等问题。本文结合现有直径40mm的半球型软固结磨粒气压砂轮的研究,通过仿真及实验对比获得一种高效高精度的冠型软固结磨粒气压砂轮,并分析了更大尺寸结构的冠型砂轮在光整中的接触应力分布特性,从而实现汽车大型覆盖件模具激光强化表面的高效精密光整加工。具体研究内容如下:1)通过气压砂轮的非线性特性分析,确定气压砂轮的本构模型采用麦克斯韦模型,为气压砂轮仿真模型的建立提供理论依据。通过光整加工约束条件的分析对冠型气压砂轮进行了结构设计,并利用气压砂轮接触力学性能测试对其结构进行了初步优化。2)通过气压砂轮动态接触过程中柔性变形的分析,建立了砂轮旋转变化下的应力应变关系式,用于描述砂轮加工应力变化的动态过程。研究分析得出气压砂轮的层间结合满足完全连续界面的条件,为气压砂轮仿真模型的简化提供理论支撑。通过气压砂轮与工件接触区域速度场分析得到:接触区内各点切向线速度呈非线性递增趋势,因而需要接触应力分布沿接触半径增大的方向均匀递减,以获得均匀一致的材料去除率。3)通过仿真对比冠型与已有的半球型砂轮模型,获得球面半径R25与R30的冠型砂轮接触区域应力分布近似呈圆形且数值均匀呈高斯型分布,有效克服了半球型砂轮接触中心区域应力缺陷的现象;进一步通过材料去除率的分析对比优选出R25冠型砂轮。将优选出的冠型砂轮结构尺寸成倍扩大后进行仿真实验得出:随着砂轮尺寸的扩大,接触应力分布的区域范围均匀递增,从而有效增大光整加工面积。4)对比半球型与冠型砂轮在不同压缩量下的光整试验效果,通过测量试验后模具表面的形貌和粗糙度值,说明采用冠型软固结磨粒气压砂轮可以针对激光强化自由曲率模具达到材料均匀去除的目的,同时可有效提高光整效率与砂轮使用寿命,从而验证仿真结果。进一步对比成倍扩大后的冠型砂轮光整试验效果,不仅验证得出扩大后的冠型砂轮提高了光整效率,同时也很大地改善了加工表面质量,最终获得平均表面粗糙度达到303nm的高精度激光强化加工表面,从而实现大型汽车覆盖件激光强化模具的高效高精密光整加工。本文的研究思路及成果为更大尺寸结构的冠型气压砂轮实现激光强化模具表面的纳米级精度光整加工提供了一定的理论指导意义,具有一定的技术借鉴价值。

关键词：冠型气压砂轮大型激光强化模具材料均匀去除接触应力高效光整

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面向激光强化模具光整的复合气压砂轮性能研究

面向激光强化模具光整的复合气压砂轮性能研究

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作者：厉志安浙江工业大学

学位级别：硕士

激光强化技术广泛应用于自由曲面模具的加工制造,并大幅提高了模具的硬度、耐磨性和使用寿命,但同时也大幅增加了激光强化模具光整加工的难度,因此提高激光强化模具在光整加工阶段的效率具有极其重要的现实意义。针对以上技术难题,结合... 详细信息

激光强化技术广泛应用于自由曲面模具的加工制造,并大幅提高了模具的硬度、耐磨性和使用寿命,但同时也大幅增加了激光强化模具光整加工的难度,因此提高激光强化模具在光整加工阶段的效率具有极其重要的现实意义。针对以上技术难题,结合现有的软固结磨粒气压砂轮光整加工技术,本文主要研究利用芳纶浆粕增强气压砂轮基体来提高激光强化模具光整加工效率的方法,同时还改善了气压砂轮基体的抗撕裂性能,本文的主要工作和成果如下：1.分析了短纤维增强橡胶基复合材料的预处理方法、混炼与分散工艺以及短纤维的取向控制等工艺,为软固结磨粒气压砂轮成型工艺技术提供了理论支撑。通过研究短纤维在橡胶基体中的应力传递原理,推导了随机取向短纤维增强橡胶基复合材料的模量预测方法,为短纤维增强橡胶基复合材料的力学性能试验奠定了理论基础。2.通过对比分析确定了芳纶浆粕增强丁苯橡胶作为气压砂轮基体相,设计了芳纶浆粕增强气压砂轮基体的制备方法。对邵氏硬度为40HA、60HA、80HA的含不等量芳纶浆粕的标准试样进行了拉伸试验,验证了模量预测方法的可行性与准确性,并针对气压砂轮基体的撕裂现象进行了裤型试样的撕裂试验,验证了抗撕裂性能能得到有效提高。3.利用ANSYS有限元软件仿真分析了气压砂轮基体的振动模态特性、静态接触特性与气压砂轮光整过程中的滚动接触特性,得到了芳纶浆粕添加含量为0%、2.5%、3.3%、5%的气压砂轮基体的各阶频率、静态接触时的仿形能力,分析了滚动接触中芳纶浆粕对M型接触应力曲线的影响,为面向激光强化模具气压砂轮高效光整试验研究提供仿真依据。4.通过软固结磨粒气压砂轮与游离态磨粒气囊光整的对比试验,从加工后模具的表面粗糙度和材料去除量两方面验证了软固结气压砂轮在初期光整阶段的高效性。通过不同芳纶浆粕含量的软固结磨粒气压砂轮光整加工对比试验,获得了材料去除率与短纤维的含量之间的关系,并验证了添加芳纶浆粕能够有效增加气压砂轮基体的使用寿命。本文的研究成果为短纤维增强气压砂轮进行光整加工的应用奠定了理论基础,并为面向激光强化模具高效光整的气压砂轮加工方法提供了实际指导意义。

关键词：气压砂轮高效光整短纤维增强模量预测抗撕裂接触特性

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