软固结磨粒气压砂轮设计方法及材料去除特性研究

摘要

激光强化技术可大幅提高模具表面的硬度、耐磨性和耐腐蚀性，改善模具使用性能和提升使用寿命，但另一方面其高硬度自由曲面面形的复杂性、局域强化带来的硬度差异却制约了后续表面精密加工的开展。鉴于模具表面激光强化处理具有良好的应用前景，解决其光整加工的技术难题对于激光强化技术在模具领域的应用具有重要的现实意义。
　　针对上述问题，本文提出了一种基于软固结磨粒气压砂轮的光整方法。为了提升高压环境下砂轮橡胶基体的抗撕裂特性，提出采用添加短纤维增强砂轮基体的方法，给出了复合材料模量与强度预测模型;对气压砂轮的力学特性进行了分析，并通过仿真进行了验证;采用离散元分析方法对软固结形态下的磨粒动态特性进行了研究;最后对软固结磨粒气压砂轮的材料去除特性进行了分析，并通过试验进行了验证。本文具体内容如下:
　　(1)针对复合材料中纤维的无序分布特性，建立了多维网状分布模型，提出采用取向因子对其纤维分布特性进行整体归一化，对Halpin-Tsai方程进行了修正，并建立了复合材料的模量预测模型和强度预测模型，实现了芳纶浆粕纤维对丁苯橡胶的增强，制备了不同纤维体积分数和不同尺寸的气压砂轮半球形增强橡胶基体。通过拉伸试验对上述理论模型进行了验证，得出通过增加纤维所占体积分数或使用低模量的橡胶基质，纤维在橡胶基体中的性能越接近单一性，预测模型将更加准确。上述问题的讨论将为气压砂轮后续各项性能分析奠定基础。
　　(2)建立了气压砂轮橡胶基体接触力学模型，对接触过程进行了数值模拟，得出结论:气压砂轮表面接触应力随着纤维体积分数的增加而增加，同样也随着原橡胶基体弹性模量的增加而增加，但砂轮接触应变却随之减少;结合层间弹性力学体系理论，分析了气压砂轮动态变化下的载荷作用规律，建立了气压砂轮双层弹性力学模型;分别以复合橡胶层厚度和磨粒粘结层厚度为研究对象进行了仿真，发现低橡胶层厚度有利于提升气压砂轮的自锐性，适合于大曲率表面加工;高橡胶层厚度则有利于提升砂轮接触应力，提高光整效率。以上论述分析了气压砂轮基体的力学特性，并为后续气压砂轮的制备工艺参数提供了依据。
　　(3)采用离散元分析方法，建立了软固结磨粒颗粒间的法向与切向接触模型，分析了磨粒群的蠕变效应，给出了颗粒微观平动与转动位移公式;通过对密集颗粒系统的数值模拟，阐述了蠕变现象的发生过程，并分析了软固结磨粒群和游离磨粒群的接触力网，证实了前者产生的表面接触应力将显著大于后者的接触应力;阐述了软固结磨粒群气压砂轮的低压接触成型制作工艺流程和评价标准，给出了可用于不同加工环境下的磨粒与粘结剂具体配比方案。上述分析描述了软固结磨粒群的微观作用机理，为后续气压砂轮最终材料去除模型的建立提供了依据。
　　(4)建立了气压砂轮表层单颗磨粒的力学模型，得出磨粒群微观作用机理与气压砂轮材料去除特性之间的联系。结合拉宾诺维奇磨损原理，对Preston方程系数进行修正，并对磨粒群在柔性支撑环境下的应力计算进行修正，给出了表层磨粒群在动态变化下的速度计算公式，最终建立了适用于软固结磨粒气压砂轮的材料去除预估模型，并通过试验进行了验证，得出软固结磨粒较游离磨粒有着更高的材料去除能力，而较固着磨粒群则可避免曲面加工时过深的划痕。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的来源

1．2 论文研究背景及研究意义

1．3 模具的激光表面强化方法

1．4 模具加工方法的研究现状

1．4．1 磨削加工技术

1．4．2 研磨加工技术

1．4．3 抛光加工技术

1．5 软同结气压砂轮抛光技术的基础理论

1．5．1 短纤维增强复合材料性能分析

1．5．2 弹性力学体系分析

1．5．3 密集颗粒系统及材料去除理论模型

1．6 论文主要研究内容

第二章 气压砂轮短纤维增强橡胶基体的特性分析

2．1 引言

2．2 气压砂轮橡胶基体的短纤维增强理论

2．2．1 短纤维的分布特性

2．2．2 短纤维增强复合材料的模量预测模型

2．2．3 复合材料的强度计算

2．3 短纤维增强气压砂轮橡胶基体的实验分析

2．3．1 短纤维增强砂轮基体的制备实验

2．3．2 短纤维的分布特性

2．3．3 短纤维增强复合材料的强度试验

2．3．4 短纤维增强复合材料的模量计算

2．4 本章小结

第三章 气压砂轮的力学分析及仿真

3．1 引言

3．2 短纤维增强复合基体的数值模拟

3．2．1 接触应变仿真分析

3．2．2 接触力仿真分析

3．3 气压砂轮的力学分析方法

3．3．1 气压砂轮加工的设计方法

3．3．2 动态分析方法

3．3．3 层间弹性力学体系分析方法

3．4 双层弹性力学模型的仿真分析

3．4．1 双弹性层的接触应变

3．4．2 不等厚弹性层的应力分析

3．5 本章小结

第四章 软固结磨粒群的力学分析与气压砂轮制作研究

4．1 引言

4．2 软固结磨粒群的特性分析

4．3 密集颗粒系统的特性分析

4．3．1 软固结磨粒群的力学行为

4．3．2 磨粒群的蠕变效应

4．3．3 软固结磨粒群的数值模拟

4．4 软固结磨粒群气压砂轮的制作工艺

4．4．1 软固结磨粒气压砂轮的工艺评价标准

4．4．2 软固结磨粒气压砂轮的制作方法

4．4．3 粘结剂的选用依据

4．5 本章小结

第五章 软固结磨粒气压砂轮材料去除特性与试验研究

5．1 引言

5．2 软固结磨粒气压砂轮的材料去除模型

5．2．1 Preston修正系数Kp的建立

5．2．2 单颗磨粒切削力学模型

5．2．2 磨粒软固结形态下的应力修正

5．2．3 速度分布特性

5．3 针对材料去除模型的试验分析

5．3．1 软固结磨粒气压砂轮的加工平台

5．3．2 硬度影响系数K2的分析

5．3．3 磨粒粒度的影响

5．3．4 压力P对材料去除率的影响

5．4 软固结磨粒气压砂轮的加工试验

5．4．1 软固结磨粒群的加工试验和结果分析

5．4．2 应力分布特性引起的加工表面差异

5．4．3 软固结磨粒群与其它形态磨粒的加工对比

5．5 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 论文的主要研究内容和贡献

6．2 未来工作展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果