光学玻璃自由曲面微磨削去除理论建模与工艺研究

摘要

随着科学技术的发展和工业制造能力的提高，工业生产中对微型零件、微小型机械装备的需求越来越多，产品的高度集成化、小型化已经成为发展趋势，应用前景极其广阔。光学玻璃由于具有良好的耐腐蚀性、耐磨性和良好的力学性能，被广泛应用于现代医学、航空航天以及微电子机械等领域。目前，对于微小型脆硬材料来说微磨削是最有效的加工方法之一，但硬脆材料的高强度高硬度也增大了加工难度，从而导致加工效率低，加工成本高。
　　为了有效提高光学玻璃加工效率，缩短加工周期，改善加工质量，本论文通过理论分析、数值模拟和实验研究的方法对磨削参数（磨削深度、磨棒转速和工件进给速度）与光学玻璃体积去除以及微磨削力之间的关系进行探讨。同时，对于不同形状工件微磨削加工进行模拟与实验探究。
　　（1）基于单颗磨粒微磨削加工机理，探讨微磨削加工中切削形成机理和最小切削厚度模型，建立微磨削加工材料去除体积、去除率以及微磨削力与磨削参数和材料性能之间的具体数学表达式，得到材料去除体积、去除率和微磨削力与磨削参数间的变化规律。
　　（2）分别建立平面、凸面和凹面工件的微磨削数值模拟模型，在不同磨削参数条件下，利用ABAQUS进行数值模拟光学玻璃的磨削加工过程，讨论了磨削参数与光学玻璃磨削去除体积、去除率以及微磨削力的关系。模拟结果表明，增大磨削深度，提高工件进给速度均能有效增大磨削材料去除体积和去除率，但工件进给速度对材料去除体积的影响较小，随着磨削深度的增大或工件进给速度的提高，微磨削力也随着增大且力的振动越来越大，加工表面质量变差。提高磨棒转速，材料去除体积减少，去除率降低，同时微磨削力随之变小，磨削后工件表面质量提高。
　　（3）对自由曲面不同部位的光学玻璃工件进行微磨削实验，在实验过程中进行微磨削力的采集，加工后在显微镜下观测其表面，测量出材料去除宽度。从实验结果分析，得到了与理论分析和数值模拟较为一致的结论，提高磨削深度，增大工件进给速度有利于提高材料去除体积和去除率，但同时磨削力较大，加工后表面变差。提高磨棒转速，材料去除和磨削力随之减小。
　　（4）本论文将自由曲面分平面、凹面和凸面三部分进行了数值模拟和微磨削实验，通过数值模拟和磨削实验发现相同磨削参数下，凹面工件材料去除体积和去除率最大，平面工件次之，凸面最小，同时材料去除越大，微磨削力也增大，磨削后表面质量变差。

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