基于砂轮形貌建模的氧化锆陶瓷磨削材料去除机理研究

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1、密级：非密中图分类号：TG580硕士学位论文基于砂轮形貌建模的氧化锆陶瓷磨削材料去除机理研究研究生：商圆圆导师：刘伟学科：机械工程研究方向：高效精密智能制造2018年5月AThesisSubmittedfortheDegreeofMasterStudyonmaterialremovalmechanismofzirconiaceramicsgrindingbasedonmodelingofgrindingwheeltopographyCandidate：ShangYuanyaunSupervisorandRank：LiuWeiLecturer基于砂轮形

2、貌建模的氧化锆陶瓷磨削材料去除机理研究学位类型学术型学位作者姓名商圆圆作者学号15010301023学科（专业学位类别)机械工程研究方向（专业领域)高效精密智能制造导师姓名及职称刘伟讲师实践导师姓名及职称所在学院机电工程学院论文提交日期2018年5月摘要工程陶瓷材料以其耐磨、耐高温、耐化学腐蚀、高强度、高硬度等特点，广泛应用在航空航天、国防军工和现代医学等重要领域。目前在工程陶瓷的加工方法中，当属用砂轮进行磨削最为成熟，且被广泛推广。砂轮表面上的磨粒数量众多，磨粒切削刃形状和大小各异，磨粒位置分布随机及磨削工艺参数等多种因素相互影响，使得研究磨削加工

3、材料去除机理非常困难。磨削加工是一个动态过程，其磨削机理研究主要基于理论与实验，相关物理量和现象检测存在困难。因此，为深入研究工程陶瓷精密磨削材料去除机理，需要对磨削加工进行有限元仿真。本文以氧化锆陶瓷精密磨削加工为研究对象，针对砂轮表面形貌特征提出砂轮表面形貌评价的新指标。在对砂轮表面形貌检测与评价，磨粒形状定义的基础上，对砂轮表面形貌进行建模，并把砂轮形貌评价新指标引入到了砂轮形貌建模中，使模型更接近实际。建立磨削有限元模型，进行氧化锆陶瓷磨削有限元仿真分析，分析氧化锆陶瓷磨削的材料去除机理。开展氧化锆陶瓷精密磨削实验，把实验结果与仿真结果进行对

4、比，验证仿真的正确性；进一步揭示氧化锆陶瓷的材料去除机理，为合理选择磨削加工参数，提高氧化锆陶瓷加工质量提供依据，具体研究工作内容包括：1）定义磨粒出刃度βd和磨粒出刃面积分散度δs两个新的砂轮表面形貌评价指标。用βd和δs评价不同修整条件对砂轮表面形貌的影响，从而指导砂轮修整。选用修整得到的不同βd和δs的金刚石砂轮进行磨削实验，对磨削时的磨削力和磨削后工件表面粗糙度进行分析，优选出使修整质量最好、砂轮磨削性能最高时的金刚石砂轮表面形貌特征参数βd和δs值。2）对表面磨粒形状进行检测，定义了9种磨粒模型，并定义了9种磨粒所占的比例；对砂轮表面形貌进

5、行检测，得到砂轮表面磨粒出刃度βd以及磨粒出刃面积分散度δs等参数。利用随机数定义了磨粒尺寸、位置和角度，定义砂轮表面磨粒结合剂平面的高度；把砂轮表面形貌评价新指标引入到砂轮表面模型的评价中，并通过调整结合剂平面高度和磨粒出刃高度分布参数σ2值，使建立的砂轮模型的磨粒出刃度βd以及磨粒出刃面积分散度δs与实际相符。最后对所建立的金刚石砂轮模型表面磨粒的面积密度、平均间距、出刃高度进行验证。3）在砂轮表面形貌建模的基础上，建立砂轮和工件的有限元模型。采用Box-Behnken设计仿真方案，并用所建立的有限元模型进行磨削仿真，对仿真分析得到的磨削力、粗糙

6、度、损伤深度和表面破碎情况进行响应曲面分析与方差分析，得出磨削深度对破碎率的影响程度最大。基于Bifano对塑性去除临界条件的I定义，针对磨削深度设计单因素仿真方案，通过仿真得到当砂轮线速度为31.42m/s，工件速度为20mm/s，磨削深度为2.69μm时，破碎率为9.45%（小于10%），为脆塑性去除的临界点。4）对氧化锆陶瓷进行磨削实验，对磨削时的磨削力、粗糙度、损伤深度、破碎率进行检测，并把实验值与仿真值进行对比，验证金刚石砂轮磨削氧化锆陶瓷543仿真的准确性。引用横向裂纹临界载荷模型Pl*=2×10C（Kc/H）分析氧化锆陶瓷脆塑性去除的临

7、界磨削力。对仿真中得出的临界点进行实验，得到单位面积法向磨削力，并求得C值为0.56；并通过实验分析临界载荷条件模型的有效性。关键词：材料去除机理；有限元仿真；氧化锆陶瓷；表面形貌评价；砂轮形貌建模IIABSTRACTEngineeringceramicsarewidelyusedinmanyimportantfields,suchasaeronauticsandAstronautics,nationaldefenseandmilitaryindustryandmodernmedicineforitsexcellentproperties,sucha

8、shighstrength,highhardness,wearresistance,hightemperat