软固结磨粒气压砂轮设计方法及材料去除特性研究

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1、DissertationSubmittedtoZhejiangUniversityofTechnologyfortheDegreeofDoctorResearchonMachiningMechanismofSoftness；ConsolidationAbrasivesFinishingMethodCandidate：ZengXiAdvisor：Prof．JiShimingCollegeofMechanicalEngineeringZhejiangUniversityofTechnologyJune．2013浙江工业大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所提交的学位论

2、文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。作者签名：孺嘶日期．挪年()月)7日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，

3、可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密口，在年解密后适用本授权书。}2、不保密口。／＼／(请在以上相应方框内打“√”)作者签名：秀焓投日期：扣j)年厶月厂日导师签名：Ⅵ悟分1／日期：护”年b月)日浙江工：业人学博士学位论文软固结磨粒气压砂轮设计方法及材料去除特性研究摘要激光强化技术可大幅提高模具表面的硬度、耐磨性和耐腐蚀性，改善模具使用性能和提升使用寿命，但另一方面其高硬度自由曲面面形的复杂性、局域强化带来的硬度差异却制约了后续表面精密加工的开展。鉴于模具表面激光强化处理具有良好的应用前景，解决其光整加工的技术难题对于激光强

4、化技术在模具领域的应用具有重要的j见实意义。针对上述问题，本文提出了一种基于软固结磨粒气压砂轮的光整方法。为了提升高压环境下砂轮橡胶基体的抗撕裂特性，提出采用添加短纤维增强砂轮基体的方法：．给出了复合材料模量与强度预测模型；对气压砂轮的力学特性进行了分析，并通过仿真进行了验证；采用离散元分析方法对软固结形态下的磨粒动态特性进行了研究；最后对软固结磨粒气压砂轮的材料去除特性进行了分析，并通过试验进行了验证。本文具体内容如下：(1)针对复合材料中纤维的无序分布特性，建立了多维网状分布模型，提出采用取向因子对其纤维分布特性进行整体归一化，对Halpin．Tsai方程进行

5、了修正，并建立了复合材料的模量预测模型和强度预测模型，实现了芳纶浆粕纤维对丁苯橡胶的增强，制备了不同纤维体积分数和不同尺寸的气压砂轮半球形增强橡胶基体。通过拉伸试验对上述理论模型进行了验证，得出通过增加纤维所占体积分数或使用低模量的橡胶基质，纤维在橡胶基体中的性能越接近单一性，预测模型将更加准确。上述问题的讨论将为气压砂轮后续各项性能分析奠定基础。(2)建立了气压砂轮橡胶基体接触力学模型，对接触过程进行了数值模拟，得出结论：气压砂轮表面接触应力随着纤维体积分数的增加而增加，同样也随着原橡胶基体弹性模量的增加而增加，但砂轮接触应变却随之减少；结合层间弹性力学体系理论

6、，分析了气压砂轮动态变化下的载荷作用规律，建立了气压砂轮双层弹性力学模型；分别以复合橡胶层厚度和磨粒粘结层厚度为研究对象进行了仿真，发现低橡胶层厚度有利于提升气压砂轮的自锐性，适合于大曲率表面加工：高橡胶层厚度则有利于提升砂轮接触应力，提高光整效率。以上论述分析了气压砂轮基体的力学特性，并为后续气压砂轮的制备工摘要艺参数提供了依据。(3)采用离散元分析方法，建立了软固结磨粒颗粒间的法向与切向接触模型，分析了磨粒群的蠕变效应，给出了颗粒微观平动与转动位移公式；通过对密集颗粒系统的数值模拟，阐述了蠕变现象的发生过程，并分析了软固结磨粒群和游离磨粒群的接触力网，证实了前

7、者产生的表面接触应力将显著大于后者的接触应力；阐述了软固结磨粒群气压砂轮的低压接触成型制作工艺流程和评价标准，给出了可用于不同加工环境下的磨粒与粘结剂具体配比方案。上述分析描述了软固结磨粒群的微观作用机理，为后续气压砂轮最终材料去除模型的建立提供了依据。(4)建立了气压砂轮表层单颗磨粒的力学模型，得出磨粒群微观作用机理与气压砂轮材料去除特性之间的联系。结合拉宾诺维奇磨损原理，对Preston方程系数进行修正，并对磨粒群在柔性支撑环境下的应力计算进行修正，给出了表层磨粒群在动态变化下的速度计算公式，最终建立了适用于软固结磨粒气压砂轮的材料去除预估模型，并通过试验进行

8、了验证，得