高硬度球面精密磨削表面粗糙度仿真和工艺参数优化

摘要

金属硬密封球阀因其具有耐高温(>500°)、耐高压(>30MPa)、耐磨损、抗热冲击、抗热腐蚀等特性,成为西气东输、煤化工、石油化工、光伏发电、核电等国家重大能源工程中流体、气体控制装置的核心部件。为适应苛刻的工作坏境要求,球阀阀芯表面通过喷涂硬化处理,如热喷涂 WC-Co,Ni60,STL20等涂层。表面粗糙度是球阀阀芯磨削加工的一个主要参数,表面粗糙度的大小直接影响着阀芯表面的质量,对阀芯的磨损、疲劳、腐蚀性、安装和配合都有着重要的影响。为此,本论文基于自行开发的球面磨床对杯形砂轮球面磨削过程中的表面粗糙度仿真与工艺参数优化进行研究。具体研究内容如下:
　　基于未变形切屑厚度模型的基础,考虑多磨粒叠加作用对表面质量的影响,研究表面粗糙度 Ra与杯形砂轮转速 ns、工件转速 nw、进给量ap和砂轮块数量 Ns四个工艺参数之间的关系,建立了表面粗糙度的数学模型。模型包含了进给量,砂轮转速,工件转速,砂轮块数量4个变量,还包括与砂轮材料和工件材料有关的系数,使得模型适用于不同的磨削条件,并对球面磨削表面粗糙度模型进行系数标定和实验研究。
　　对磨削纹理对表面粗糙度分布和工艺参数优化的影响进行了理论分析和实验研究。提出轨迹线密度和磨削转速比 k概念。磨削球面中间区域的轨迹密度要比两端区域的低,呈现 U形状。当磨削转速比 k不为整数时,存在磨粒轨迹重叠的现象,有利于增加轨迹线密度,降低表面粗糙度。对表面粗糙度的理论模型进行了修正。
　　以材料去除率最大和表面粗糙度最小为目标,以ns、nw、ap和Ns四个工艺参数为变量,采用SPEA2进化算法优化了高硬度球面的磨削工艺参数。与正交试验优化结果对比实验表明:SPEA2进化算法可将材料去除率提高到121mm3/min,表面粗糙度降低到0.03μm。SPEA2进化算法优化得到的结果优于正交试验。SPEA2进化算法可快速有效地得到多组优化结果,有效地解决了高硬度球面的磨削工艺参数优化问题。

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本文中所使用的符号说明

第一章 绪论

1.1 球阀及其行业背景

1.2 球阀球体加工方法现状

1.3 磨削表面粗糙度研究现状

1.4 磨削工艺参数优化研究现状

1.5 本课题研究的主要内容

第二章 球面磨削表面粗糙度的理论建模与实验研究

2.1 新型高硬度回转球面精密磨削装备

2.2 磨削工件表面粗糙度理论

2.3 磨削球面表面粗糙度数学模型的建立

2.4 实验研究

2.5 磨削工艺参数对表面粗糙度的影响

2.6 本章小结

第三章 球面磨削纹理对表面粗糙度的影响研究

3.1 表面纹理理论

3.2 球面磨削的磨削轨迹方程

3.3 轨迹线密度与表面粗糙度分布

3.4 磨削轨迹与工艺参数优化

3.5 本章小结

第四章 高硬度球面磨削工艺参数优化研究

4.1 基于正交试验法的球面磨削工艺参数优化

4.2 基于 SPEA2 进化算法的球面磨削工艺参数优化

4.3 优化结果对比实验

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 主要贡献

5.3 后续研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间所取得的研究成果