【摘要】：工程陶瓷具有高硬度、高強(qiáng)度、耐高溫、耐磨損、耐化學(xué)腐蝕以及良好的自潤滑性等良好性能,在電子、能源技術(shù)、化工、航空航天等科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,但斷裂韌度差,使其成為典型的難加工材料。目前工程陶瓷等難加工材料的精密加工主要通過超硬精細(xì)磨料的精密磨削及研磨來實(shí)現(xiàn),為了深化和推廣工程陶瓷的應(yīng)用,必須針對(duì)工程陶瓷精密磨削開展深入研究。通過單顆磨粒切削加工研究可以更好的認(rèn)識(shí)復(fù)雜磨削加工過程,從而可以簡化砂輪磨削及表面損傷原理的分析,而通過砂輪表面仿真形貌模型的建立,可從整體上使砂輪磨削行為的研究變的更加直觀,進(jìn)而有助于準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)和預(yù)測砂輪的磨削性能和結(jié)果。綜上,本文以氮化硅陶瓷精密磨削加工為研究對(duì)象,通過砂輪表面形貌檢測的結(jié)果分析,利用數(shù)值仿真技術(shù)建立了單顆磨粒及整體砂輪表面形貌模型,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了單顆磨粒切削仿真、砂輪整體磨削仿真,最后通過單顆磨粒切削實(shí)驗(yàn)、砂輪磨削實(shí)驗(yàn)對(duì)形貌建模和數(shù)值仿真進(jìn)行了驗(yàn)證分析,具體工作內(nèi)容包括:(1)對(duì)砂輪進(jìn)行表面形貌測量,通過砂輪磨粒表面面積密度、磨粒平均個(gè)數(shù)和出刃高度的分析,并結(jié)合利用球坐標(biāo)上平面切割球?qū)嶓w方法,建立了比較接近實(shí)際的虛擬單顆磨粒模型,分析研究了磨刃二面角與積分光密度值之間的關(guān)系;進(jìn)一步利用正態(tài)隨機(jī)函數(shù)法建立磨粒尺寸、位置、角度隨機(jī)分布的砂輪表面形貌模型;最終結(jié)合砂輪表面面積密度、磨粒平均個(gè)數(shù)、出刃高度等參數(shù)驗(yàn)證了所建立的虛擬多面體磨粒和砂輪整體模型的有效性。(2)選用球坐標(biāo)方式切割的單顆磨粒幾何模型來模擬金剛石磨粒,利用JH-2材料本構(gòu)模型以及SOLID164實(shí)體單元建立單顆磨粒數(shù)值仿真模型,通過多種網(wǎng)格劃分方法對(duì)磨粒-工件數(shù)值模型進(jìn)行了網(wǎng)格劃分,并在LS-DYNA中進(jìn)行了單顆磨粒切削過程數(shù)值仿真,分析了工件的應(yīng)力、切屑、磨削力等微觀變化現(xiàn)象。最后進(jìn)行了單顆磨粒切削實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了所建立模型和數(shù)值仿真的有效性。(3)使用DEFORM-3D建立了磨削數(shù)值仿真的金剛石砂輪-氮化硅陶瓷工件數(shù)值仿真模型,并進(jìn)行整體金剛石砂輪磨削氮化硅陶瓷的數(shù)值仿真,首先分析了磨削過程中滑擦、耕犁、切削3個(gè)階段的形成過程;進(jìn)一步仿真分析了微觀狀態(tài)下工件材料的切屑去除過程以及其間的磨削力變化,同時(shí)研究了不同的砂輪線速度、磨削深度等工藝參數(shù)對(duì)磨削力、工件的應(yīng)力的影響。最后進(jìn)行了金剛石砂輪磨削氮化硅陶瓷實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了數(shù)值仿真的合理性。
[Abstract]:Engineering ceramics with high hardness, high strength, high temperature resistance, wear resistance, chemical corrosion resistance and good self-lubricity have been widely used in the fields of electronics, energy technology, chemical industry, aerospace and other scientific and technological fields. However, the fracture toughness is poor, which makes it a typical refractory material. At present, the precision machining of engineering ceramics and other difficult machined materials is mainly realized by precision grinding and grinding of superhard fine abrasives. In order to deepen and popularize the application of engineering ceramics, it is necessary to carry out in-depth research on precision grinding of engineering ceramics. The complex grinding process can be better understood through the research of single abrasive cutting, which can simplify the analysis of grinding wheel grinding and surface damage principle, and establish the surface simulation topography model of grinding wheel. It can make the research on grinding behavior of grinding wheel more intuitionistic, and it is helpful to evaluate and predict the grinding performance and result of grinding wheel accurately. In this paper, the precision grinding process of silicon nitride ceramics is taken as the research object. Through the analysis of the results of grinding wheel surface morphology detection, the surface morphology models of single abrasive particle and monolithic grinding wheel are established by using numerical simulation technology. On the basis of this, the single abrasive cutting simulation and grinding wheel whole grinding simulation are carried out. Finally, the shape modeling and numerical simulation are verified and analyzed by single grain cutting experiment and grinding wheel grinding experiment. The main work includes: (1) measuring the surface morphology of grinding wheel, analyzing the surface area density, the average number of abrasive particles and the height of grinding edge, and combining with the method of cutting ball body in plane on spherical coordinate. A virtual single particle model is established, the relationship between edge dihedral angle and integrated optical density is analyzed, and the size and position of abrasive particles are further established by normal random function method. The surface morphology model of grinding wheel with random distribution of angle, finally combining the surface area density of grinding wheel, the average number of abrasive particles, The effectiveness of the virtual polyhedron abrasive particle model and the whole grinding wheel model is verified by the parameters such as the height of the cutting edge. (2) the geometric model of the single abrasive particle is used to simulate the diamond abrasive particle by using the spherical coordinate cutting method. The numerical simulation model of single particle is established by using the constitutive model of JH-2 material and the SOLID164 solid element. The numerical model of abrasive particle and workpiece is meshed by various mesh generation methods, and the cutting process of single abrasive particle is simulated in LS-DYNA. The microcosmic variation phenomena such as stress, chip and grinding force of workpiece are analyzed. Finally, a single abrasive cutting experiment is carried out to verify the validity of the established model and numerical simulation. (3) the numerical simulation model of diamond wheel and silicon nitride ceramic workpiece is established by using DEFORM-3D. Numerical simulation of silicon nitride ceramics grinding with diamond wheel is carried out. Firstly, the forming process of sliding, ploughing and cutting stages is analyzed. Furthermore, the chip removal process of workpiece material and the variation of grinding force are analyzed by simulation. The effects of different grinding wheel linear speed and grinding depth on grinding force and workpiece stress are also studied. Finally, experiments on grinding silicon nitride ceramics with diamond wheel are carried out, and the rationality of numerical simulation is verified.
【學(xué)位授予單位】：湖南科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TQ174.75

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本文編號(hào)：2140162