在機(jī)械制造、化工、航空等高科技領(lǐng)域,硬脆材料(光學(xué)玻璃和工程陶瓷等)逐漸得到較大范圍應(yīng)用。對(duì)于硬脆材料,磨削是現(xiàn)在普遍應(yīng)用的一種加工方法,但在加工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的磨削熱、磨削力,降低了工件的表面質(zhì)量和使用性能。三維螺線超聲振動(dòng)精密磨削技術(shù)的出現(xiàn)在降低磨削力、磨削熱等方面表現(xiàn)出了很大的優(yōu)勢(shì)。但針對(duì)其進(jìn)行的磨削機(jī)理研究還比較少,通常采取實(shí)驗(yàn)手段,而實(shí)驗(yàn)成本高,條件要求復(fù)雜,且無(wú)法準(zhǔn)確的觀察切屑的形成過(guò)程、工件的應(yīng)力應(yīng)變分布、裂紋產(chǎn)生及擴(kuò)展等情況。所以,目前已有學(xué)者利用有限元仿真的方法對(duì)磨削機(jī)理進(jìn)行研究。其中,光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)(SPH:Smoothed Particle Hydrodynamics)法是一種純Lagrange無(wú)網(wǎng)格算法,能夠很好的解決了傳統(tǒng)有限元方法因網(wǎng)格劃分法而引起大變形畸變而最終導(dǎo)致計(jì)算終止這個(gè)難題,在模擬仿真磨削過(guò)程時(shí)具有無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。因此,本研究綜合運(yùn)用幾何運(yùn)動(dòng)學(xué)、金屬切削理論、材料斷裂理力學(xué)以及數(shù)值計(jì)算等學(xué)科知識(shí),利用理論分析與數(shù)值仿真相結(jié)合的方法,對(duì)三維螺線超聲振動(dòng)磨削(3DSUAG)機(jī)理展開(kāi)深入研究。揭示了被加工材料在磨粒沖擊過(guò)程中的裂紋產(chǎn)生及擴(kuò)展情況、應(yīng)變應(yīng)力分布、磨削力、磨削溫度及熱力耦合過(guò)程的變化規(guī)律等,為三維螺線超聲振動(dòng)磨削技術(shù)的推廣應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。本文開(kāi)展的主要研究?jī)?nèi)如下:1.研究了基于硬脆性材料Johnson-Holmquis-Ceramics本構(gòu)模型的SPH建模方法,并利用非線性動(dòng)力學(xué)分析軟件ANSYS/LS-DYNA,實(shí)現(xiàn)了分別對(duì)單顆磨粒劃擦和沖擊陶瓷工件過(guò)程的模擬仿真,證明了SPH法在單顆磨粒磨削中應(yīng)用的合理性及優(yōu)勢(shì)。2.基于SPH法對(duì)單顆磨粒沖擊陶瓷工件的過(guò)程進(jìn)行仿真研究。觀察Al2O3陶瓷工件的仿真結(jié)果,在壓頭壓入一定深度后工件開(kāi)始出現(xiàn)側(cè)向裂紋及徑向裂紋,且裂紋產(chǎn)生時(shí)壓頭壓入工件的臨界深度和擴(kuò)展速度均與沖擊速度有關(guān)。壓頭沖擊SiC陶瓷一定深度后,工件出現(xiàn)中位裂紋及徑向裂紋。通過(guò)對(duì)比分析,在進(jìn)行磨削加工時(shí)SiC陶瓷比Al2O3陶瓷更易產(chǎn)生徑向裂紋,增大工件損傷。此外,通過(guò)觀察工件溫度場(chǎng)分布,相同的壓入深度下沖擊速度越大,接觸區(qū)溫度也越大,SiC陶瓷的最高溫度和分布范圍均遠(yuǎn)大于Al2O3陶瓷。3.建立普通磨削(CG)、三維螺線超聲磨削(3DSUAG)、軸向磨削(AUAG)及徑向磨削(VUAG)過(guò)程中單顆磨粒相對(duì)于工件表面的運(yùn)動(dòng)軌跡方程。利用SPH法仿真單顆磨粒普通磨削與三維螺線超聲磨削工件的過(guò)程,揭示了三維螺線磨削在降低磨削力和提高材料去除率方面比普通磨削有著明顯優(yōu)勢(shì)。通過(guò)對(duì)Al2O3和SiC兩種陶瓷工件的磨削仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析時(shí)發(fā)現(xiàn):磨粒劃擦SiC陶瓷工件后微斷裂較多,且應(yīng)力明顯大于Al2O3陶瓷,說(shuō)明Al2O3陶瓷比SiC陶瓷有更好的加工性能。4.建立了三維螺線超聲磨削的溫度場(chǎng)分布模型,并對(duì)Al2O3陶瓷、SiC陶瓷進(jìn)行磨削仿真,觀察分析溫度場(chǎng)分布情況。與普通磨削相比,軸向超聲振動(dòng)磨削時(shí)的磨削溫度沒(méi)有變化,而徑向超聲振動(dòng)和三維螺線超聲振動(dòng)磨削時(shí)的磨削溫度均會(huì)降低。此外,增加切深時(shí),溫度隨之增加,且對(duì)溫度的影響效果很大。研究了熱力耦合問(wèn)題的特征,并觀察普通磨削和超聲磨削時(shí)分別進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)求解和溫度場(chǎng)與應(yīng)力耦合求解時(shí)的仿真結(jié)果。證明熱力耦合求解時(shí)比單獨(dú)進(jìn)行應(yīng)力分析求解時(shí)的工件內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)分布范圍要大,但磨粒劃擦過(guò)程中工件的平均應(yīng)力值卻均小于單獨(dú)進(jìn)行應(yīng)力求解時(shí)工件的平均應(yīng)力值。
【學(xué)位單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類】：TG580.6
【文章目錄】：
摘要
Abstract
第1章 緒論
    1.1 研究背景及意義
    1.2 超聲振動(dòng)輔助磨削加工技術(shù)
        1.2.1 超聲振動(dòng)加工技術(shù)
        1.2.2 超聲振動(dòng)磨削技術(shù)研究現(xiàn)狀
    1.3 超聲振動(dòng)輔助磨削仿真研究
        1.3.1 有限元方法在磨削仿真中的應(yīng)用
        1.3.2 SPH法在磨削仿真中的應(yīng)用
    1.4 超聲振動(dòng)輔助磨削機(jī)理研究現(xiàn)狀
    1.5 磨削溫度及熱力耦合仿真研究現(xiàn)狀
        1.5.1 磨削溫度研究現(xiàn)狀
        1.5.2 熱力耦合仿真研究現(xiàn)狀
    1.6 本文主要研究?jī)?nèi)容
第2章 SPH法的基本理論及切削仿真研究
    2.1 SPH法基本理論
    2.2 基于有限元軟件LS-DYNA的SPH法
        2.2.1 ANSYS/LS-DYNA概述
        2.2.2 LS-DYNA材料模型
    2.3 SPH法單顆磨粒切削仿真
    2.4 本章小結(jié)
第3章 超聲振動(dòng)磨削陶瓷材料的裂紋產(chǎn)生及擴(kuò)展規(guī)律仿真研究
    3.1 單顆磨粒切削區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)分析
    3.2 單顆磨粒沖擊Al2O3工件的SPH法仿真建模
        3.2.1 各物理量的單位選擇
        3.2.2 定義單元類型及材料模型
        3.2.3 單顆磨粒沖擊工件過(guò)程的SPH仿真建模
        3.2.4 定義接觸、載荷、邊界條件及求解
    3.3 單顆磨粒超聲振動(dòng)磨削陶瓷材料的裂紋產(chǎn)生機(jī)制仿真結(jié)果分析
        3.3.1 單顆磨粒沖擊Al2O3陶瓷的裂紋仿真結(jié)果分析
        3.3.2 單顆磨粒沖擊SiC陶瓷的裂紋仿真結(jié)果分析
        3.3.3 單顆磨粒沖擊Al2O3陶瓷和SiC陶瓷的溫度場(chǎng)仿真結(jié)果分析
    3.4 本章小結(jié)
第4章 三維螺線超聲振動(dòng)磨削硬脆材料的磨削特性仿真研究
    4.1 超聲振動(dòng)磨削的單顆磨粒運(yùn)動(dòng)學(xué)分析
        4.1.1 三維螺線超聲振動(dòng)磨削的單顆磨粒運(yùn)動(dòng)學(xué)分析
        4.1.2 軸向超聲振動(dòng)磨削的單顆磨粒運(yùn)動(dòng)學(xué)分析
        4.1.3 徑向超聲振動(dòng)磨削的單顆磨粒運(yùn)動(dòng)學(xué)分析
    4.2 基于SPH法的單顆磨粒劃擦Al2O3工件的仿真建模
    4.3 三維螺線超聲振動(dòng)磨削硬脆材料的應(yīng)力及塑性應(yīng)變仿真結(jié)果分析
        4.3.1 普通磨削與超聲磨削的工件溝槽形狀及應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)分析
        4.3.2 不同劃擦速度下的工件溝槽形狀及應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)
        4.3.3 單顆磨粒劃擦Al2O3和SiC陶瓷仿真結(jié)果對(duì)比
    4.4 三維螺線超聲振動(dòng)磨削硬脆材料的磨削力仿真分析
        4.4.1 磨削Al2O3陶瓷磨削力仿真結(jié)果及分析
        4.4.2 磨削SiC陶瓷磨削力仿真結(jié)果及分析
    4.5 本章小結(jié)
第5章 三維螺線超聲振動(dòng)磨削Al2O3陶瓷的熱力耦合研究
    5.1 單顆磨粒磨削區(qū)一維傳熱模型
    5.2 單顆磨粒三維螺線超聲振動(dòng)磨削區(qū)溫度場(chǎng)計(jì)算
    5.3 磨削區(qū)熱力耦合理論
        5.3.1 熱力耦合溫度場(chǎng)
        5.3.2 初始條件
        5.3.3 熱力耦合解耦分析
    5.4 單顆磨粒磨削區(qū)溫度場(chǎng)仿真及熱力耦合分析
        5.4.1 單顆磨粒磨削區(qū)溫度場(chǎng)仿真分析
        5.4.2 熱力耦合仿真結(jié)果分析
    5.5 本章小結(jié)
第6章 結(jié)論與展望
    6.1 結(jié)論
    6.2 展望
參考文獻(xiàn)
攻讀學(xué)位期間發(fā)表論文與研究成果清單
致謝

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本文編號(hào)：2871586