软固结磨粒群加工方法及材料去除特性的分析

为了解决高硬度模具自由曲面光整技术难点,提出一种软固结磨粒群加工新方法(Softness consolidation abrasives,SCA)。所谓软固结磨粒群,特指由高聚物黏结剂黏结于气压砂轮基体表面的磨粒群体,其宏观上不像游离磨粒那样可自由移动,而微观上每个磨粒均受到黏结剂在各个方向的弹性支撑。结合层间弹性力学体系分析,讨论双层弹性体中(橡胶基体层-磨粒层)的力穿越问题,得到表层单颗磨粒的切削力学模型。建立基于应力修正的Preston方程,解决柔性基体供力时存在的应力滞后问题。根据磨粒硬度特性进行系数修正,给出材料去除经验公式。对磨粒群的切削力和速度进行数值模拟,建立材料去除的定量预估模型。总结高效光整加工的配比条件,并通过针对激光强化模具表面的光整试验,验证修正后的Preston方程的准确性。

软固结磨粒群气压砂轮的力学特性分析

提出以软固结磨粒群(Softness consolidation abrasives,SCA)气压砂轮为工具的加工方法,对磨粒群密集颗粒系统的力学特性进行分析,用于解决激光强化后局部高硬度区域难以高效光整的问题。引入软球接触模型建立磨粒软固结形态下的微观接触力模型,引入全局阻尼系数得出了磨粒蠕变时的位移和速度公式。通过PFC3D仿真,验证了接触力计算公式,建立了颗粒系统的接触力网。对单颗磨粒在z轴方向上的速度进行跟踪研究,证实了SCA在加工时的存在蠕变现象。结合修正的Preston的方程,针对激光强化自由表面进行加工试验。试验结果表明:在相同加工时间内,SCA累积高出游离磨粒近34.35%的材料去除量,且避免了刚性砂轮面向曲面加工时产生的划痕,SCA加工可大幅提升面向高硬度曲面的光整效率。

软固结磨粒群内部磨粒拓扑结构对材料去除的影响

针对软固结磨粒气压砂轮光整加工新方法,研究气压砂轮软固结磨粒群的内部磨粒拓扑结构对被加工材料去除率的影响规律。建立气压砂轮材料去除机理模型,分析软固结磨粒群在单压缩载荷下内部细观组构参量及力链网络的演化过程,研究了软固结磨粒群的宏观力学特征与细观结构演化之间的关系,数值模拟了具有不同拓扑结构的磨粒层与工件接触区域内的应力分布规律。将软固结磨粒气压砂轮用于激光强化自由曲面光整加工实验,得到了磨粒目数及体积配比对材料去除量及表面粗糙度的影响规律,试验结果表明,软固结磨粒气压砂轮可用于激光强化表面的光整加工并获得良好的加工效果。

基于G-W模型的软固结磨粒群接触力分析研究

针对激光强化模具自由曲面的光整加工问题,对软固结磨粒群气压砂轮与模具表面接触力、下压量进行了研究,对砂轮接触模具表面时的磨粒姿态进行了分析,提出了一种基于G-W接触模型构建了软固结磨粒群接触力模型。利用ANSYS WORKBENCH对不同的下压量进行了仿真分析,得到了相应接触力的分布情况,验证了接触力模型的有效性。通过气压砂轮光整实验平台,利用Kistler 9129AA切削力测试仪对不同下压量的接触力进行了测试。研究结果表明,基于G-W的软固结磨粒群接触力模型能够用于计算气压砂轮与模具表面的接触力,接触力与下压量的成类线性关系,且线性关系良好。

磨粒群盒维数计算过程中的参数优选法

针对磨粒群盒维数计算精度偏低的问题,提出盒维数计算过程中的参数优选法。研究图像大小、盒子尺寸边界、统计盒子方式、盒子尺寸增长方式对分形维数的影响规律,利用正交试验确定各因素对盒维数影响的主次顺序,得到影响因素的参数优选组合。计算验证表明:图像大小为500×500像素,盒子尺寸从1像素增长至整个图像大小,统计盒子引入的比例参数为0.4,盒子尺寸以2,4,6,8,…,2n等差增长时,盒维数计算精度能得到有效提高。

软固结磨粒群微观力学特性分析与试验研究

针对软固结磨粒气压砂轮加工过程中磨粒群内部发生剪胀效应,造成磨粒群表面局部堆积,进而引起工件表面产生划痕、降低二次精加工效率和表面质量的问题,建立磨粒群内部微观接触力学模型,揭示磨粒群内部力链传递过程。采用Li-Dafalias弹塑性剪胀本构模型,来反映磨粒群内部微观力-位移的关系。通过颗粒流三维分析PFC3D软件数值模拟具有不同孔隙率的磨粒群力链网络演化过程,以及加工件表面压强分布,结果表明:当孔隙率超过44%后,磨粒群内部力链传递路径消失;工件表面压强呈周期分布,随着孔隙率增大,压强幅值减小。搭建试验平台,通过光整加工试验得到孔隙率和磨粒目数对工件表面粗糙度的影响规律,结果显示:当采用磨粒目数800、孔隙率24%时加工得到的工件表面粗糙度较小,表面粗糙度轮郭算术平均偏差从313.74nm降低到67.11nm.

滑动磨损磨粒群的分布规律

以滑动磨损过程中产生的磨粒群体为研究对象,研究其数量与粒径间的分布特征及其与磨损状态间的耦合关系.通过分析铜合金销与碳钢盘在干摩擦条件下相互对磨所产生的磨粒群和销试样磨损量,发现磨粒的累积分布和微分分布特性随磨损时间的变化而变化:在磨损开始阶段,磨损程度逐渐减小,磨粒群分布曲线由平缓变得逐渐凸、陡;达到磨损平衡状态后,磨损率达到最小,磨粒群微分布曲线的幅值达到最大,横向宽度达到最小;随着销与盘间互适性变弱,磨损程度增大,磨粒分布曲线变得越来越平缓,横向宽度逐渐增大;磨粒分布曲线随磨损时间的变化规律与磨损率随磨损时间的变化规律有明显的对应关系,可为科学诊断和预测摩擦学系统状态提供有用信息.

分析铁谱图像中的磨粒群统计特征快速提取方法

针对铁谱图像分析自动化和快速化的需求,提出基于磨粒群的统计特征快速提取方法。采用小波分解方法研究磨粒群形态学特征,构造磨粒等效尺寸以及磨粒分布系数2个统计指标,结合分析铁谱图像对上述指标进行验证和讨论。结果表明,磨粒等效尺寸可以反映图像中较大磨粒的尺寸,磨粒分布系数可以反映图像中非铁磁性磨粒的比重。

表面磨粒群螺旋排布电镀锯丝制造的实验研究

为了获得高性能的电镀金刚石锯丝,实验研究了悬砂法制备表面磨粒群螺旋排布锯丝的电镀工艺,分析了预镀阴极电流、上砂阴极电流密度与上砂时间对锯丝复合镀层外观质量与锯丝表面磨粒分布情况的影响规律,并采用试制锯丝进行了锯切实验。研究结果表明,镀底层的阴极电流密度为5.0A/dm2时,镀层与钢丝基体表面有着良好的结合强度;上砂阶段采用阴极电流密度为5.0A/dm2,其电镀时间为7-8min,可得到良好的镀层和磨粒分布效果。钢丝基体预镀前在表面绕绝缘线,合理地选择工艺参数可以获得磨粒群在钢丝基体表面螺旋排布的基本结构,试制的新型锯丝在锯切中具有良好的容屑与排屑效果。

一种辨识磨粒群分形无标度区的新算法

针对磨粒群分形维数计算精度偏低,且无标度区辨识过程中容易出现局部最优的问题,提出了一种辨识无标度区的新算法。首先利用模拟退火K-means算法对磨粒群r^N(r)(尺度~测度)双对数曲线的一阶局部导数聚类,剔除一阶导数为0及波动很大的区间,然后利用模拟退火K-means算法对曲线的二阶局部导数聚类,识别出精确的无标度区间。应用新算法对典型的分形图形进行了分形维数计算,计算结果与理论值吻合度较高;同时应用新算法对磨粒群的分形无标度区进行了辨识。研究表明:磨粒群的分形无标度区较宽,新算法对磨粒群等多孔图形的无标度区辨识效果较好,能显著提高磨粒群分形维数的计算精度。

软固结磨粒群剪胀效应及材料去除特性分析

针对软固结磨粒群气压砂轮复杂曲面精密加工问题,提出了一种软固结磨粒群剪胀分析模型,并以微观视角为切入点研究气压砂轮软固结磨粒群的微观剪胀效应对被加工件材料去除特性的影响规律。基于磨粒群剪胀效应分析,建立了孔隙率与黏结磨粒系统阻尼系数的数学模型,结合孔隙比与平均应力的关系,推导了磨粒群作用接触面的应力方程,建立了发软固结磨粒群材料去除模型。通过PFC3D仿真和力传感器测力设备验证了剪胀效应对接触力的影响规律。光整加工试验结果表明,可根据剪胀效应的规律来提高黏结剂阻尼系数从而提高曲面模具材料的去除效果,相同加工时间内,阻尼系数提高约5.0×105,材料去除量累计提高近31.91%,曲面模具的粗糙度降低近32.34%,工件划痕明显减少。

基于奇异熵的磨粒群特征提取

为定量分析磨粒群,利用销-盘摩擦磨损试验机进行船用柴油机活塞环-缸套材料配副磨合磨损试验.在铁谱显微镜上对不同磨损阶段的磨粒群图像进行观察分析,应用奇异熵提取磨粒群图像的低频特征参数和高频特征参数.结果表明:低频特征参数和高频特征参数刻画了磨粒群图像上磨粒的形态特征.低频特征参数反映了磨粒群图像上磨粒尺度大小,其值越大,磨粒越大;高频特征参数反映了磨粒群图像上磨粒的数量,其值越大,磨粒越多.低频特征参数和高频特征参数可作为磨粒群特征参数.

基于数据挖掘的齿轮副磨损状态评估方法

为了提高齿轮副磨损状态评估的准确率,基于数据挖掘技术提出了一种新的齿轮副磨损状态评估方法.该方法通过设计直齿圆柱齿轮副磨损实验,提取实验齿轮副全寿命周期内的油液参数和振动参数,对齿轮副磨损状态进行聚类划分,建立了监测参数与齿轮副磨损状态之间的关联规则集及齿轮副磨损状态关联规则匹配算法,用于识别齿轮副的磨损状态.研究结果表明:基于数据挖掘的齿轮副磨损状态评估方法对齿轮副磨损状态的识别率达90%,能有效地评估齿轮副磨损状态.

基于物元模型的齿轮磨损状态分形评估方法

为实现齿轮磨损状态的准确评估,设计齿轮副磨损实验,进行全寿命周期磨损实验,根据磨损率、磨粒群分形维数、振动信号变化趋势以及工况条件,划分5个不同的齿轮磨损状态。选择计算简单、权值易于确定的物元评估方法作为评估齿轮磨损状态的方法,利用磨粒群分形维数建立齿轮磨损状态的物元评价模型,并用实验测试数据进行实验验证。研究结果表明:物元模型能有效地评估齿轮不同的磨损状态,对齿轮磨损状态的评估准确性达91.67%。

金刚石磨粒的优化排布:一种激光排布技术及对其磨削力和磨损特性的评价

传统的超硬磨料砂轮的制造方法导致磨粒固结在砂轮表面呈无规则随机排布。为了合理地解决这些问题,介绍了一种实现按需三维可控优化金刚石微排布的方法。尽管这种新颖的生产磨粒按需排布金刚石砂轮的观点只是处于初级的试验阶段,但是为发展一度为人所忽略的微细加工指明了方向。

非一致曲率表面下的气压砂轮磨粒剪胀及加工试验研究

针对软固结磨粒气压砂轮在加工异形曲面时,工件所受的切削力以及接触区内磨粒速度因工件曲率发生变化,导致工件不同曲率处材料去除量不均匀的问题,基于修正的Rowe剪胀理论建立砂轮切削力模型,提出了非一致曲率表面下修正的气压砂轮材料去除模型。通过EDEM软件建立了软固结磨粒气压砂轮模型,分析了砂轮下压量为1.5 mm时工件曲率对接触力以及接触区内磨粒速度的影响。搭建气压砂轮加工试验平台,通过光整加工试验验证修正的材料去除模型。研究结果表明:修正的材料去除模型平均绝对值误差为0.095,而原始的材料去除模型平均绝对值误差为0.291,说明修正的材料去除模型可以用于气压砂轮抛光过程中的定量分析,且工件加工表面划痕明显减少。