軟固結磨粒氣壓砂輪設計方法及材料去除特性研究.pdf

1、激光強化技術可大幅提高模具表面的硬度、耐磨性和耐腐蝕性，改善模具使用性能和提升使用壽命，但另一方面其高硬度自由曲面面形的復雜性、局域強化帶來的硬度差異卻制約了后續(xù)表面精密加工的開展。鑒于模具表面激光強化處理具有良好的應用前景，解決其光整加工的技術難題對于激光強化技術在模具領域的應用具有重要的現(xiàn)實意義。
　　針對上述問題，本文提出了一種基于軟固結磨粒氣壓砂輪的光整方法。為了提升高壓環(huán)境下砂輪橡膠基體的抗撕裂特性，提出采用添加短纖維增

2、強砂輪基體的方法，給出了復合材料模量與強度預測模型;對氣壓砂輪的力學特性進行了分析，并通過仿真進行了驗證;采用離散元分析方法對軟固結形態(tài)下的磨粒動態(tài)特性進行了研究;最后對軟固結磨粒氣壓砂輪的材料去除特性進行了分析，并通過試驗進行了驗證。本文具體內(nèi)容如下:
　　(1)針對復合材料中纖維的無序分布特性，建立了多維網(wǎng)狀分布模型，提出采用取向因子對其纖維分布特性進行整體歸一化，對Halpin-Tsai方程進行了修正，并建立了復合材料的模量

3、預測模型和強度預測模型，實現(xiàn)了芳綸漿粕纖維對丁苯橡膠的增強，制備了不同纖維體積分數(shù)和不同尺寸的氣壓砂輪半球形增強橡膠基體。通過拉伸試驗對上述理論模型進行了驗證，得出通過增加纖維所占體積分數(shù)或使用低模量的橡膠基質(zhì)，纖維在橡膠基體中的性能越接近單一性，預測模型將更加準確。上述問題的討論將為氣壓砂輪后續(xù)各項性能分析奠定基礎。
　　(2)建立了氣壓砂輪橡膠基體接觸力學模型，對接觸過程進行了數(shù)值模擬，得出結論:氣壓砂輪表面接觸應力隨著纖維體

4、積分數(shù)的增加而增加，同樣也隨著原橡膠基體彈性模量的增加而增加，但砂輪接觸應變卻隨之減少;結合層間彈性力學體系理論，分析了氣壓砂輪動態(tài)變化下的載荷作用規(guī)律，建立了氣壓砂輪雙層彈性力學模型;分別以復合橡膠層厚度和磨粒粘結層厚度為研究對象進行了仿真，發(fā)現(xiàn)低橡膠層厚度有利于提升氣壓砂輪的自銳性，適合于大曲率表面加工;高橡膠層厚度則有利于提升砂輪接觸應力，提高光整效率。以上論述分析了氣壓砂輪基體的力學特性，并為后續(xù)氣壓砂輪的制備工藝參數(shù)提供了依據(jù)

5、。
　　(3)采用離散元分析方法，建立了軟固結磨粒顆粒間的法向與切向接觸模型，分析了磨粒群的蠕變效應，給出了顆粒微觀平動與轉動位移公式;通過對密集顆粒系統(tǒng)的數(shù)值模擬，闡述了蠕變現(xiàn)象的發(fā)生過程，并分析了軟固結磨粒群和游離磨粒群的接觸力網(wǎng)，證實了前者產(chǎn)生的表面接觸應力將顯著大于后者的接觸應力;闡述了軟固結磨粒群氣壓砂輪的低壓接觸成型制作工藝流程和評價標準，給出了可用于不同加工環(huán)境下的磨粒與粘結劑具體配比方案。上述分析描述了軟固結磨粒群

6、的微觀作用機理，為后續(xù)氣壓砂輪最終材料去除模型的建立提供了依據(jù)。
　　(4)建立了氣壓砂輪表層單顆磨粒的力學模型，得出磨粒群微觀作用機理與氣壓砂輪材料去除特性之間的聯(lián)系。結合拉賓諾維奇磨損原理，對Preston方程系數(shù)進行修正，并對磨粒群在柔性支撐環(huán)境下的應力計算進行修正，給出了表層磨粒群在動態(tài)變化下的速度計算公式，最終建立了適用于軟固結磨粒氣壓砂輪的材料去除預估模型，并通過試驗進行了驗證，得出軟固結磨粒較游離磨粒有著更高的材料去