磨削作為一種精密成形技術(shù),日益受到人們的重視,傳統(tǒng)的手工磨削由于可控性差等缺點難以滿足高質(zhì)量高效率的現(xiàn)代化生產(chǎn)需求。隨著工業(yè)4.0和中國制造2025規(guī)劃的實施,機器人砂帶磨削已經(jīng)成為一種發(fā)展趨勢。鎳基合金Inconel 718由于其優(yōu)異的服役性能被廣泛應(yīng)用于航空航天、石油和天然氣等領(lǐng)域,這就對其磨削質(zhì)量提出了更高的要求。磨削質(zhì)量包含磨削精度和表面完整性,其中表面完整性往往是傳統(tǒng)手工磨削最容易忽視的問題,對材料的服役性能有重要的影響。因此,本文針對Inconel 718合金設(shè)計搭建了一套機器人砂帶磨削系統(tǒng),通過可控的磨削工藝參數(shù)優(yōu)化,來提高鎳基高溫合金表面完整性和服役性能。系統(tǒng)地研究了磨削工藝對合金表面完整性(表面燒損、粗糙度、殘余應(yīng)力、疇界尺寸、顯微硬度和微觀組織等)的影響規(guī)律,建立了綜合多指標的表面完整性預(yù)測模型,探討了磨削表面電化學(xué)腐蝕機理。為機器人砂帶磨削技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用提供了有力的理論支撐和試驗依據(jù)。論文主要研究內(nèi)容和成果如下:(1)搭建了機器人砂帶磨削系統(tǒng),研究了磨削參數(shù)與表面完整性主要指標之間的關(guān)系。結(jié)果表明,當磨削表面實測溫度高于580°C時,試樣表面會發(fā)生明顯的燒損現(xiàn)象。此外,隨著磨削力的增大,表面粗糙度增加,殘余應(yīng)力由壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力。在178 kPa的磨削力和31 m/s的砂帶轉(zhuǎn)速下,Inconel 718合金表面不僅獲得了較大的殘余壓應(yīng)力(約355 MPa)而且得到了小的表面粗糙度,同時,其表面顯微硬度相較于母材提高了15%左右。其原因在于加工過程中發(fā)生了部分動態(tài)再結(jié)晶。(2)基于聲音信號特征,采用最優(yōu)剪枝極限學(xué)習機(OP-ELM)建立了砂帶磨損狀態(tài)預(yù)測模型。通過熱源法建立了磨削試樣表面溫度場模型,獲得了機器人砂帶磨削過程中試樣表面溫度的變化規(guī)律,用以預(yù)測磨削表面的燒損情況�；诰�性加權(quán)函數(shù),建立了以粗糙度、殘余應(yīng)力、疇界尺寸為主要指標的磨削表面完整性預(yù)測模型。(3)針對表面殘余應(yīng)力開展了重點研究,并基于自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)(ANFIS)和粒子群優(yōu)化算法(PSO),建立了磨削試樣表面殘余應(yīng)力的預(yù)測模型,與X射線應(yīng)力儀測試結(jié)果相比,其均方誤差(MSE)小于735.85,均方根誤差(RMSE)小于27.13,平均誤差(EM)小于4.26,標準差(ESD)小于26.94。由此可見,該方法能夠快速準確地對磨削表面殘余應(yīng)力和最大殘余應(yīng)力進行預(yù)測,為控制和改善合金磨削表面殘余應(yīng)力狀態(tài)奠定了基礎(chǔ)。(4)系統(tǒng)研究了磨削表面的腐蝕性能,揭示了磨削工藝、殘余應(yīng)力、表面粗糙度等主要因素對腐蝕性能的影響規(guī)律。研究表明,Inconel 718磨削表面電化學(xué)腐蝕過程主要包括:多孔氧化膜缺陷破壞,富Nb區(qū)域的形成,腐蝕產(chǎn)物產(chǎn)生,富Nb區(qū)域邊界溶解,腐蝕產(chǎn)物脫落和腐蝕坑形成等。隨著砂帶磨粒尺寸的減小,磨削試樣表面的粗糙度降低,試樣表面的殘余壓應(yīng)力增大,磨削表面的抗腐蝕性能得到有效的提高。減小粗糙度,可使參與腐蝕過程的表面積減小,從而有效抑制了腐蝕產(chǎn)物的產(chǎn)生,而殘余壓應(yīng)力又會阻礙腐蝕產(chǎn)物的剝落。
【學(xué)位單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TG580.619.2
【部分圖文】：

上海交通大學(xué)博士學(xué)位論文 第一章 緒論性也相對較差，且生產(chǎn)效率低下。隨著智能制造技術(shù)的發(fā)展，機器人替代傳統(tǒng)加工在表面加工中的應(yīng)用愈來愈受到重視[8]，機器人砂帶磨削加工不僅能大幅提高加工效率，并且保證了工件的磨削質(zhì)量，使加工過程具有可控性，如圖 1-1b 所示，作為一種柔性加工方式，具有非常好的自適應(yīng)性，在難加工材料領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，國內(nèi)外針對機器人砂帶磨削技術(shù)研究尚不成熟，特別是在磨削表面完整性等方面的研究仍不夠全面深入，這些問題嚴重制約了機器人磨削技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用。因此開展針對機器人砂帶磨削過程中表面完整性的研究是很有必要的，對推動“中國制造 2025”五大工程及十大領(lǐng)域中智能制造轉(zhuǎn)型升級，實現(xiàn)制造業(yè)強國的目標具有非常重大的現(xiàn)實意義。

1.2.1 傳統(tǒng)人工磨削特點隨著工業(yè)化的不斷推進，越來越多的自動化技術(shù)應(yīng)用到工廠中，替代了工人完成繁重的作業(yè)，但是磨削作為一種復(fù)雜的工藝過程，而且工件表面大多數(shù)是不規(guī)則的，所以，很大比例的磨削作業(yè)還是以傳統(tǒng)的人工磨削來完成，如圖 1-2 所示，工人磨削工件時，操作工人本身的經(jīng)驗水平直接決定了最終的磨削質(zhì)量。具有豐富經(jīng)驗的操作工人會結(jié)合工件的三維形貌和材料特性，先把工件分類，在給每個工件進行分區(qū)磨削，然后決定磨削的順序進行磨削作業(yè)。這就需要很豐富的經(jīng)驗積累，其中，磨削轉(zhuǎn)速、接觸角度、接觸力都會直接影響磨削的質(zhì)量。培養(yǎng)一個經(jīng)驗豐富的操作工人，需要投入很大的成本，即便是經(jīng)驗豐富的老師傅也很難保證磨削質(zhì)量的一致性。而且惡劣的工作環(huán)境也極大的傷害了工人的身體健康，磨削過程還具有很大的危險性。

圖 1-3 機器人砂帶磨削裝置Fig. 1-3 Robot belt grinding device析，機器人砂帶智能磨削技術(shù)作為智能制造的重要方面。智能制造的發(fā)展不依賴于人工操作的水平，機器人砂帶的加工任務(wù)。好、磨削質(zhì)量高。能夠保證磨削工藝的穩(wěn)定，確保工件的削質(zhì)量的一致性。。智能磨削的效率比傳統(tǒng)的手工作業(yè)高很多，而且可以全這可以有效彌補我國人口紅利優(yōu)勢減弱的不利因素。生產(chǎn)。通過無線射頻識別智能技術(shù)，模擬產(chǎn)品的生產(chǎn)操

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本文編號：2809768