基于分形理论花岗石异型面高效磨削关键技术研究

摘要

花岗石异型制品以其精美的外形、华贵典雅的色调以及耐磨损、耐腐蚀等稳定的物理化学性能，使其在建筑装修、工艺艺术、生活器具、精密机床等领域得到了广泛应用，并向着高档化、艺术化、精密化方向发展。新兴的花岗石装饰产品创意设计产业更是以花岗石异型制品加工为基础，因此，花岗石异型制品的社会需求量越来越大，对花岗石异型制品的加工质量和产品附加值的要求越来越高。针对我国花岗石异型制品生产加工现状和国内外研究热点，提出了基于分形理论研究花岗石异型面高效磨削关键技术的研究方向。本文从实现高效加工的设备、刀具、材料、工艺等基础手段入手，建立了花岗石异型面高效磨削加工关键技术体系，完善了高效加工的定义和理论判据，用分形几何的观点对花岗石异型面的磨削加工机理作了理论分析，研究了加工过程的分形特征，建立了相关分形模型，并通过实验研究了这些分形特征与加工工艺、效率之间的关系。
　　通过分析金刚石单磨粒磨痕、花岗石材料的裂纹扩展和矿物晶体断裂的分形特征，研究了花岗石异型面的分形断裂去除机理。花岗石异型面一般采用结块式金刚石成型刀具加工，通过分析花岗石异型面的磨削过程和金刚石成型刀具特点，建立了金刚石单磨粒磨痕曲线模型，分析了其几何角度和去除材料体积的变化，研究了其分形特性，理论推导了磨痕分形曲线弧长和分形维数。通过对花岗石材料断裂去除过程的分析，分别建立了花岗石材料的裂纹扩展和矿物晶体断裂的分形模型，对花岗石材料的去除机理进行了分形研究。
　　通过实验研究建立了磨削力分形维数与工艺参数之间的数学模型。花岗石异型面的加工属于断续磨削加工，其磨削力大小变化很大，其动态特性具有分形规律。通过建立金刚石单磨粒受力模型，推导了切向力、法向力和轴向力的关系式，分析了其大小和方向的变化规律，以此为基础建立了金刚石成型结块的受力模型，分析了结块受力的分形特征，确定了磨削力分形维数的计算方法。基于正交实验设计法对磨削加工五莲红花岗石1/4圆弧异型面的磨削力及其分形维数的规律进行了实验研究。分别选择切削速度、进给速度和背吃刀量为三个因素，每个因素各取四个水平，建立了三因素四水平正交表，对其沿三个坐标轴方向的磨削力进行测量。对磨削力测量结果分别进行极差分析、方差分析和多元回归分析，建立了磨削力与工艺参数的数学模型。对磨削力的动态变化特性用磨削力分形维数评价，分别计算出不同工艺参数下的磨削力分维，建立磨削力分维与工艺参数之间的数学模型，并对磨削力与磨削力分维之间的关系进行了分析研究，确定了两者之间的线性函数关系，即磨削力越大，磨削力分维也越大，磨削力动态变化愈大；磨削力越小，磨削力分维也越小，磨削力动态变化小。
　　建立了以材料去除率和磨削力分形维数为评价指标的高效工艺参数优化模型。采用田口方法，以材料去除率为望大特性，磨削力分维为望小特性，分别计算出不同工艺参数下材料去除率和磨削力分维的信噪比S/N，作出信噪比和均值的主效应图，优化得出最佳工艺参数组合，并对优化结果进行了实验验证。
　　建立了磨屑块度分形模型，并基于磨屑块度分形维数对花岗石异型面可磨削加工性进行了评价和分级预测研究。通过分析花岗石异型面的材料断裂破碎成屑的过程，建立了平面和三维空间破碎模型，分析其分形破碎特性。通过二次响应面法实验，研究了磨屑块度分形维数与工艺参数的关系，对影响磨屑块度分维因素的金刚石成型刀具、夹具、工艺参数、冷却液、花岗石材料等进行了分析。选择SiO2、石英、肖氏硬度、密度、抗压强度、抗弯强度和耐磨率等七个对花岗石可磨削加工性有影响的指标，采用三角模糊数TOPSIS分析方法对十种典型花岗石材料的可磨削加工性进行了分级研究，然后通过磨削加工1/4圆弧异型面进行实验分析和验证，选择Y方向磨削力和磨屑块度分形维数为评价指标。对实验结果分别进行单因素分析和多因素综合分析，采用线性函数、指数函数、对数函数建立磨屑块度分维与花岗石性能指标之间的评价模型，基于磨屑块度分维建立了花岗石可磨削加工性的分级标准，并对实验的十种花岗石材料进行了可磨削加工性分级，实验结果与FAHP-TOPSIS的分析结论基本一致。
　　本文研究旨在提高花岗石异型制品的加工效率，降低生产成本，其研究成果对生产加工具有理论和实践指导意义，对推动花岗石异型制品加工走标准化、低成本、高效率、高附加值加工之路有着现实意义，对花岗石加工技术的学科建设也有指导意义；同时，课题的研究思路和研究方法对石材加工技术的理论研究也将产生推动作用。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 花岗石异型制品加工的生产现状

1．2．1 花岗石异型制品的特点

1．2．2 花岗石异型制品的加工技术

1．3 石材加工技术的研究现状

1．3．1 金刚石刀具磨破损研究的现状

1．3．2 石材锯磨机理的研究现状

1．3．3 石材可加工性的研究现状

1．3．4 花岗石异型制品高效加工研究中存在的问题

1．4 花岗石异型制品高效磨削加工技术基础

1．4．1 花岗石异型面高效磨削加工性判据

1．4．2 花岗石异型面高效磨削加工关键技术

1．5 课题的研究内容

第2章 花岗石异型面成形加工过程的分形分析

2．1 分形理论的研究现状

2．1．1 分形理论的定义和特性

2．1．2 分形的几何意义

2．1．3 分形理论的应用领域

2．2 花岗石异型面磨削加工的特点分析

2．2．1 结块式金刚石成型刀具的特点

2．2．2 花岗石异型面磨削加工方式分析

2．3 金刚石单磨粒磨削痕迹的分形分析

2．3．1 金刚石单磨粒的磨削角度

2．3．2 金刚石单磨粒磨削过程分析

2．3．3 单磨粒磨痕曲线的分形分析

2．3．4 单磨粒磨痕分形曲线弧长

2．3．5 金刚石单磨粒去除材料体积的分析

2．4 花岗石异型面成形过程的分形分析

2．4．1 花岗石异型面的形貌分析

2．4．2 花岗石矿物晶体的断裂分形模型

2．5 本章小结

第3章 高效磨削花岗石异型面磨削力分形规律研究

3．1 金刚石单磨粒受力模型

3．1．1 XY平面金刚石单磨粒受力模型

3．1．2 ZY平面金刚石单磨粒受力模型

3．2 金刚石结块受力的分形特征

3．2．1 金刚石结块受力分析

3．2．2 磨削力分形维数的计算

3．3 花岗石异型面高效磨削加工实验设计

3．3．1 异型面磨削加工工艺分析

3．3．2 实验方案设计

3．3．3 实验设备、刀具及仪器

3．3．4 实验参数选择与计算

3．3．5 正交设计及实验结果

3．4 磨削力实验结果的分析

3．4．1 磨削力的极差分析

3．4．2 磨削力的方差分析

3．4．3 磨削力的回归分析

3．5 磨削力分形维数规律的研究

3．5．1 磨削力分形维数的计算

3．5．2 磨削力分维与工艺参数之间的关系

3．5．3 磨削力分形维数的建模

3．5．4 磨削力与分形维数之间的关系

3．6 本章小结

第4章 基于磨削力分维的工艺参数优化研究

4．1 工艺参数优化模型与方案

4．1．1 工艺参数优化模型

4．1．2 基于田口方法的优化方案

4．2 高效磨削工艺参数的优化

4．2．1 异型面成形加工材料去除率分析

4．2．2 工艺参数的田口方法分析

4．2．3 最佳工艺参数的确定

4．2．4 最佳工艺参数组合的验证

4．3 本章小结

第5章 花岗石异型面磨屑块度分形规律的研究

5．1 花岗石异型面分形破碎模型

5．1．1 平面分形破碎模型

5．1．2 三维空间分形破碎模型

5．2 磨屑块度的尺寸界定和分形维数

5．2．1 磨屑块度尺寸分布的界定

5．2．2 磨屑块度的分形维数

5．3 磨屑块度分形规律的实验研究

5．3．1 磨屑块度分维的计算

5．3．2 磨屑块度分维的分析

5．4 本章小结

第6章 基于磨屑块度分维花岗石可磨削性研究

6．1 花岗石可磨削加工性研究分析

6．1．1 影响花岗石可磨削加工性因素

6．1．2 可磨削加工性的研究内容

6．2 三角模糊数TOPSIS可磨削加工性评价研究

6．2．1 三角模糊理论

6．2．2 TOPSIS方法

6．2．3 花岗石可磨削加工性的FAHP-TOPSIS分析

6．3 花岗石异型面可磨削加工性实验研究

6．3．1 参数选择与实验结果

6．3．2 单因素评价数学模型

6．3．3 多因素综合评价数学模型

6．3．4 可磨削加工性的磨屑分维评价

6．3．5 接近度Ci与磨屑块度分维D的关系

6．4 本章小结

第7章 结论与展望

7．1 结论

7．2 创新点

7．3 展望

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢

附录 已发表英文论文

学位论文评阅及答辩情况表