基于接触理论的精准砂带磨削基础研究

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1、基于接触理论的精准砂带磨削基础研究重庆大学博士学位论文学生姓名：王亚杰指导教师：黄云教授专业：机械工程学科门类：工学重庆大学机械工程学院二O一五年十二月PrecisionabrasivebeltgrindingresearchbasedoncontacttheoryAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheDoctor’sDegreeofEngineeringByWangYajieSupervisedbyProf.HuangYunSpeci

2、alty:MechanicalManufactureandAutomatizationCollegeofMechanicalEngineeringofChongqingUniversity,Chongqing,ChinaDec.2015中文摘要摘要叶片作为航空发动机的关键零件之一，其截面形状与尺寸精度以及表面完整性对航空发动机的性能具有至关重要的影响。航空发动机叶片经过铣削或精密锻造后，具有加工余量分布不均匀、曲率变化大等特点。传统的加工工艺难以满足航空发动机叶片加工精度、表面质量的一致性以及智能化制造要求，迫切需要采用新型加工方法以解决其加工难题。砂带

3、磨削因同时兼具磨削和抛光的双重作用，且其弹性磨削的特性在型面平滑过渡方面具有独特的拟合效果，尤其适用于弱刚性复杂曲面的精密加工。然而，当前关于精准砂带磨削机理的研究仍不完善。因此，本文基于弹性接触理论，结合砂带弹性磨削和航发叶片难加工的特点，对曲面精准砂带磨削机理及其关键技术进行研究。论文的主要研究工作如下：①以金字塔砂带为研究对象，建立多颗磨粒模型，在此基础上，依据砂带单颗磨粒切刃切除材料理论模型，进行砂带磨削多颗磨粒材料去除的仿真研究，探讨接触压力和磨粒个数对工件表面粗糙度和材料平均去除深度的影响规律；针对航空发动机叶片典型材料，开展Tc4钛合金材料

4、去除效率砂带磨削试验，研究不同磨削参数对航发叶片材料去除率的影响规律，并通过非线性回归方法建立恒压强材料去除率预测模型，为下一步建立表面去除廓形模型提供理论基础。②进行砂带磨削接触状态符合赫兹接触理论基本假设的理论分析，并研究赫兹接触理论与半赫兹接触理论的推导过程。在此基础上，由接触压强均匀分布的平面砂带磨削材料去除率模型，推导并建立曲面砂带磨削表面材料去除廓形的预测模型；进而开展橡胶接触轮与工件接触的有限元仿真分析，探讨接触轮半径、橡胶硬度、厚度比、接触压力以及工件半径等因素对法向接触压强分布的影响规律，并通过接触试验和表面去除廓形试验验证上述建立模型

5、的正确性，为实现精准砂带磨削奠定理论基础。③结合橡胶接触轮弹性变形的特点，研究表面去除廓形对走刀行距和步长的影响规律，并推导出材料去除深度和残留高度的近似计算公式。在此基础上，提出面向精准材料去除的路径规划和磨削压力优化方法，并开展基于该方法的航发叶片精准材料去除砂带磨削仿真分析，为精准砂带磨削提供技术支撑。④针对航发叶片难加工的特点，本文应用上述建立的弹性接触模型、表面去除廓形模型以及提出的砂带磨削路径规划方法，进行航发叶片型面和边缘的精密砂带磨削试验及仿真研究。通过检测分析叶片的加工精度和表面质量，验证面向精准材料去除的砂带磨削路径规划方法在精密砂带

6、磨削加工中的适用性，为实现航发叶片精准砂带磨削的工程化应用提供指导。关键词：航发叶片，砂带磨削，接触理论，精准I英文摘要ABSTRACTAsoneofthekeypartsofaero-engine,crosssectionshapeanddimensionprecisionandsurfaceintegrityofbladeshaveacriticalinfluenceontheperformanceofaero-engine.Aeroenginebladesaftermillingorprecisionforging,havethecharacter

7、isticsoftheallowancevaryformachiningandcurvaturebigchangeacrossthesurface.Thetraditionalprocessingmethodisdifficulttomeetthetechnologicalrequirementsofmachiningprecision,surfacequalityconsistencyandintelligentmanufacturingofaircraftengineblade,anditisanurgentneedtoadoptthenewproc

8、essingmethodtosolvethemachiningproblems.