基于声发射的液体磁性磨具小孔光整加工在线监测

摘要

孔作为一种常见的加工特征，广泛存在于生物、医疗器械、汽车、航空航天和流体控制等领域相关装备零部件之中，其表面质量对整个产品具有十分重要的影响。随着现代高流速、高精密设备的发展，对孔的表面质量提出了越来越高的要求。而目前国际上采用的技术无法解决微小孔、异型孔和细管光整加工的难题。为此，太原理工大学孙桓五教授科研团队在液体磁性磨具光整加工长期研究的基础上，利用液体磁性磨具独特的磁流变特性，将其应用到复杂型腔、孔类零件、细管等的光整加工领域。
　　本课题来源于山西省教育厅研究生创新项目(S20143052)、精密与特种加工教育部重点试验室开放课题（项目编号JMTZ201603）、国家自然科学基金(51075294)、山西省自然科学基金(2010011034.1)。论文对液体磁性磨具小孔光整加工的材料去除率计算、加工机理、加工设备、声发射监测系统搭建及声发射信号处理等进行了系统性研究，主要研究内容有以下几点:
　　1)液体磁性磨具小孔光整加工机理研究及试验验证。以磁性粒子的偶极矩理论为依据，分析了液体磁性磨具磁流变现象产生的机理;采用“双刃圆半径”模型作为磨料颗粒的磨削模型，对单个磨粒进行力学分析，推导出小孔光整加工的材料去除率数学表达式，继而分析了液体磁性磨具小孔光整加工的加工机理;通过试验分别研究了磁场强度、试件入口压力、磨粒大小和试件材料等主要因素对小孔光整加工效果的影响，并以推导出的理论公式对试验结果进行了分析，也以试验证明了理论推导的正确性。
　　2)液体磁性磨具小孔光整加工试验装置的设计与优化。以液体磁性磨具小孔光整加工的材料去除机理为指导，在已有设备的基础上设计出一套耐磨性优良、压力恒定的试验装置。
　　3)依据声发射监测原理及特点，分析液体磁性磨具光整加工声发射源的类型及声发射信号所在频段，确定了合适的声发射传感器型号及其布置方式，通过对比试验采集液体磁性磨具小孔光整加工装置空转和进行光整加工两种工况下的声发射信号，发现背景噪声与加工信号相比很小，可以忽略不计。
　　4)基于液体磁性磨具小孔光整加工的特性，确定特征参数分析法较适合本试验，并对常用的几个特征参数进行计算，发现声发射信号的有效值会随着材料去除率及试件表面粗糙度的降低而降低。
　　5)分析了磁场强度、试件入口压力、磨粒大小和试件材料对声发射信号有效值及其频率的影响，确定了液体磁性磨具小孔光整加工声发射的频段在30KHz～500KHz之间，得到了AE信号有效值与表面粗糙度值的关系。
　　本文研究了液体磁性小孔光整的加工机理，推导了材料去除模型，设计了小孔光整加工设备，搭建了声发射在线监测平台，确定了液体磁性磨具小孔光整加工AE信号所在频域，并通过加工试验和声发射在线监测试验两方面验证了加工机理和材料去除率计算的正确性，液体磁性磨具小孔光整加工的可行性，研究成果对小孔光整加工和其它形式光整加工的在线监测提供具有一定参考价值。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 内孔表面光整技术综述

1．3 液体磁性磨具光整加工发展背景

1．4 研究课题的背景、来源及意义

第二章 液体磁性磨具小孔光整加工机理研究

2．1 引言

2．2 液体磁性磨具小孔光整加工机理

2．2．1 液体磁性磨具构成

2．2．2 小孔光整机理分析

2．2．3 液体磁性磨具在小孔内的剪切应力分布以及速度分布

2．2．4 材料去除率的理论计算

2．2．5 影响加工效率和材料去除率的主要因素

2．3 本章小结

第三章 液体磁性磨具小孔光整试验研究

3．1．引言

3．2 已有试验装置介绍

3．2．1 液压挤压试验装置

3．2．2 液压隔膜挤压装置

3．3 加工试验装置设计

3．3．1 动力装置

3．3．2 磁场发生装置

3．3．3 磨具

3．3．4 试件

3．4 试验方案与工艺步骤

3．5 加工试验结果

3．5．1 磁场强度对材料去除率及表面粗糙度的影响

3．5．2 入口压力对材料去除率及表面粗糙度的影响

3．5．3 磨料粒度对材料去除率及表面粗糙度的影响

3．5．4 试件材料对材料去除率及表面粗糙度的影响

3．6 本章小结

第四章 声发射监测系统与试验方案

4．1 引言

4．2 声发射监测的原理及特点

4．3 声发射源的类型

4．4 在线监控试验设计

4．4．1 声发射采集机箱

4．4．2 传感器选择与布置

4．4．3 前置放大器

4．4．4 信号采集、存储

4．4．5 试验方案与步骤

4．5 声发射信号分析

4．5．1 背景噪声分析

4．5．2 声发射信号特征参数计算

4．6 本章小结

第五章 声发射在线监控试验结果与分析

5．1 引言

5．2 加工参数对声发射信号有效值的影响

5．2．1 磁场强度对声发射信号有效值的影响

5．2．2 入口压力对声发射信号有效值的影响

5．2．3 磨料粒度对声发射信号有效值的影响

5．2．4 试件材料对声发射信号有效值的影响

5．3 加工参数对声发射信号频率的影响

5．3．1 磁场强度对声发射信号频率的影响

5．3．2 入口压力对声发射信号频率的影响

5．3．3 磨料粒度对声发射信号频率的影响

5．3．4 试件材料对声发射信号频率的影响

5．4 声发射信号有效值与试件表面粗糙度的关系

5．5 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 全文总结

6．2 未来研究工作展望

参考文献

致谢

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