【摘要】：平行法磨削廣泛應(yīng)用于各種硬質(zhì)和脆性光學(xué)元件的加工,是獲得高精度和高質(zhì)量表面最有效的加工方法之一。然而,磨削是一個復(fù)雜的加工過程,受到眾多因素的影響,如工件材料、砂輪、磨粒特性以及磨削條件,使得磨削過程的分析和建模極為復(fù)雜。同時,由于磨粒自身隨機性的特點,使得磨削過程的建模比單點車削或多刃銑削加工更加復(fù)雜。在磨削加工過程中,由于砂輪相對于工件表面的運動誤差會導(dǎo)致加工表面出現(xiàn)微波紋,這將嚴重影響零件的精度和表面質(zhì)量。為了深入理解磨削加工中工件表面微波紋的形成過程,需要建立準(zhǔn)確的理論模型來描述砂輪和工件之間相對運動的幾何關(guān)系。近些年,許多學(xué)者開展了大量的理論研究工作來模擬磨削中工件表面形貌的形成過程,但是它們中的大多數(shù)理論模型是基于磨粒的運動軌跡(微觀)或砂輪的相對運動誤差(宏觀)來預(yù)測工件的表面形貌和優(yōu)化磨削加工工藝,缺乏對不同尺度綜合考慮的理論模型。本文首先考慮到砂輪的相對運動誤差,建立了平行法磨削表面輪廓形成的理論模型,來揭示表面微波紋的形成機制以及相移的累計過程。結(jié)果發(fā)現(xiàn),由于砂輪的微小轉(zhuǎn)速誤差使得相移不可避免地出現(xiàn)在整個加工過程中,導(dǎo)致所有的加工表面都出現(xiàn)了螺旋形微波紋。同時揭示了不同相移下表面微波紋的演化機制,在精細的進給速率下相移逐漸累積,具有較大相移的相對運動誤差導(dǎo)致了密集的微波紋產(chǎn)生,而較小的相移則形成了稀疏的微波紋,其仿真的表面輪廓與測量結(jié)果一致。同時,相移的微小變化也會導(dǎo)致表面粗糙度的明顯不同,這表明相移也是優(yōu)化超精密磨削工藝的重要變量。最終,考慮到砂輪的幾何形狀、磨粒的隨機突出高度、相對運動誤差、相移以及磨粒運動軌跡,建立了平行法磨削過程中表面微觀形貌形成的理論模型,同時研究了表面匹配算法驗證了理論模型的準(zhǔn)確性。此外,各種類型的復(fù)雜曲面已廣泛地應(yīng)用于復(fù)雜的光學(xué)設(shè)備中,以改善成像的性能和照明的質(zhì)量,同時也可以減小元器件的尺寸。平行法磨削加工具有高精度和良好的表面光潔度,廣泛用于各類曲面的加工。然而,曲面曲率的復(fù)雜性和變化給磨削過程中的預(yù)測和控制帶來了許多難題。平行法磨削中,作為關(guān)鍵因素的刀具路徑直接決定了曲面加工的形狀精度和表面質(zhì)量。在傳統(tǒng)的刀具路徑規(guī)劃中,恒定進給控制法被廣泛采用,導(dǎo)致表面輪廓高度不均勻和表面輪廓精度不理想。為了解決這個問題,本文考慮曲面曲率的影響建立了表面輪廓高度的理論模型,將砂輪相對運動誤差導(dǎo)致的微波紋、殘留高度與曲率半徑的變化聯(lián)系起來,提出了一種新的刀具路徑規(guī)劃方法,可以在平行法磨削曲面中獲得均勻的殘留高度分布。此外,利用最近點迭代(ICP)匹配方法來評定測量表面和設(shè)計表面之間的誤差。通過在環(huán)形正弦曲面和橫向正弦曲面上的磨削實驗,驗證了理論殘留高度模型的準(zhǔn)確性。這將可以為平行法磨削曲面加工中,實現(xiàn)均勻的殘留高度表面提供理論基礎(chǔ)。最后,研究了磨削表面微波紋的抑制策略,通過控制磨削點的分布來降低砂輪運動誤差對表面微波紋的影響。另外,為了更好地優(yōu)化平行法磨削加工工藝和提高加工表面質(zhì)量,本文采用田口實驗方法研究了不同加工參數(shù)對表面粗糙度的相對影響,并找出最優(yōu)加工參數(shù)的組合,在此基礎(chǔ)上進行單因素試驗,研究每個磨削參數(shù)對加工表面粗糙度的影響。其結(jié)果表明進給速度和工作轉(zhuǎn)速是主導(dǎo)變量。圍繞加工中心區(qū)域的一系列螺旋形微波紋是表面形成的主要機制,這主要源自于砂輪的相對運動誤差而引起的砂輪切削深度的周期性變化。砂輪轉(zhuǎn)速與工件轉(zhuǎn)速之比決定微波紋的數(shù)量和幾何形狀,其整數(shù)部分決定微波紋的數(shù)量和密度,小數(shù)部分控制微波紋的幾何形狀以及相移累積的程度。相移可以加強相鄰砂輪切削軌跡的干涉并有助于降低表面殘留高度,從而可以顯著地改善磨削加工的表面質(zhì)量。在平行法磨削加工中,材料特性也會影響加工表面的形成過程,特別是硬脆材料,和塑性材料存在很大的不同,這主要源自于材料的不同去除機理。本文比較了模具鋼,碳化鎢和碳化硅在磨削中表面形成的不同機制,發(fā)現(xiàn)Spanzipfel效應(yīng)對加工表面的形成有一定的影響,對于塑性材料,表面塑性流動較為明顯尤其在砂輪磨削溝槽的交界處。但對于磨削脆性材料來說,砂輪磨削溝槽的交界處出現(xiàn)脆性斷裂的幾率較高。同時,針對平行法磨削曲面過程中曲率變化的特點,研究了不同曲率半徑工件磨削過程中加工參數(shù)和曲率對表面粗糙度的相對影響和規(guī)律。最后,在優(yōu)化平行法磨削工藝的基礎(chǔ)上,利用等殘留高度刀具路徑規(guī)劃算法,實現(xiàn)了均一殘留高度和高表面質(zhì)量的正弦微結(jié)構(gòu)曲面加工。
【圖文】：

定義輸入值和輸出值的關(guān)系，并不考慮過程中變量的影響，使得很難評估各個變量條件對結(jié)果的影響。因此，物理模型更能深入地了解每個過程變量與輸出結(jié)果之間的關(guān)系，更適合于重構(gòu)系統(tǒng)各個變量之間的關(guān)系。在磨削過程中表面形貌的形成是一個復(fù)雜的過程。首先，取決于磨粒切削刃的分布和磨削加工參數(shù)，磨削工藝參數(shù)決定了砂輪切入工件材料的角度，磨粒則沿著砂輪的進給和轉(zhuǎn)動去除多余的材料，是直接參與表面形貌形成的關(guān)鍵因素。然而，并非砂輪表面上的所有磨粒都參與最終工件表面形貌的形成過程[53]。有效磨粒是基于砂輪切入的角度和深度來判斷和定義[54]。通過計算磨粒運動軌跡的斜率和各磨粒間的間隔來判定有效作用的磨粒。影響磨削表面的形成過程的因素眾多，，各個因素之間又會相互影響，使得磨削過程的建模異常復(fù)雜[55-58]。加工參數(shù)決定了砂輪上磨粒切入工件材料的運動軌跡，材料的力學(xué)行為又會進一步影響表面及亞表面的形成過程。磨粒作為直接的切削工具，其在切削區(qū)域的特征和行為與表面的形成直接相關(guān)。因此，確定砂輪上隨機磨粒的特性對于磨削加工建模和仿真表面形貌的形成非常關(guān)鍵[59]。除此之外，砂輪的運動誤差、砂輪的組成和結(jié)構(gòu)、工件材料的力學(xué)性能和磨削過程的熱效應(yīng)都將會對最終表面形貌的形成產(chǎn)生影響，如圖 1-8 所示。

圖 1-12 球形磨粒在磨削中的作用[72]Fig. 1-12 Action of a spherical grain in grinding[72]Wear flatPrustumanglePrustum of coneWear flatPrustumanglePrustum divided with planeWear flatPrustumangle2-D Grain shape圖 1-13 磨粒的幾何形狀[77]Fig. 1-13 Abrasive grain geometry[77]
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TH74

【參考文獻】

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本文編號：2613592