基于離散元素法的砂輪建模與磨削仿真研究.pdf

1、在當(dāng)前所有機械加工方式中，磨削作為一種精加工方式，占有非常重要的地位。但是，由于其具有切削速度高、隨機性強、磨粒-工件間相互作用復(fù)雜、砂輪-工件接觸區(qū)材料行為復(fù)雜等特點，對磨削的理解一直被認(rèn)為是加工領(lǐng)域的“黑匣子(black art)”。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，仿真技術(shù)被逐漸引入到磨削研究中。其對于強動態(tài)過程的強大描述能力，恰好適合用于研究高速、復(fù)雜、難以觀測的磨削過程。
　　磨削仿真工作一般分為砂輪建模和磨削仿真兩步，且都已受到磨

2、削界廣泛的研究。但現(xiàn)有砂輪建模方法和磨削仿真方法都是建立在連續(xù)體假設(shè)基礎(chǔ)上的，即認(rèn)為砂輪是連續(xù)體，無氣孔、粘結(jié)劑等內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并使用以連續(xù)體為基本假設(shè)的材料行為理論對砂輪進行分析計算。而這與真實砂輪的非連續(xù)微觀結(jié)構(gòu)不符。
　　為解決上述問題，本文嘗試使用一種基于非連續(xù)體材料理論的、能夠描述砂輪真實物理結(jié)構(gòu)及其材料行為的、介觀仿真方法——離散元素法，進行砂輪建模和磨削仿真，并對建立的砂輪模型和磨削仿真結(jié)果進行了討論。為驗證模擬結(jié)果的正

3、確性，本文還開展了針對砂輪模型和磨削仿真的驗證實驗。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，使用離散元法進行砂輪建模和磨削仿真，除了能夠在取得和實驗相類似的結(jié)果，驗證其進行磨削仿真的可行性、正確性、準(zhǔn)確性以外，還能夠得到一些其他現(xiàn)有仿真方法無法得到的重要結(jié)果（如磨削過程中粘結(jié)劑的受力情況），充分的體現(xiàn)了該方法的先進性。
　　將離散元素法引入到磨削研究中，不光從介觀尺度上補償了現(xiàn)有磨削仿真技術(shù)的空白、搭建了微觀磨削仿真和宏觀磨削仿真之間的橋梁、為未來開展跨微、介

4、、宏三觀的多尺度磨削仿真奠定了重要基礎(chǔ)、對砂輪非連續(xù)性微觀物理結(jié)構(gòu)描述方面實現(xiàn)了突破，而且可能將在砂輪制備配方設(shè)計、砂輪制備工藝設(shè)計、砂輪磨損與壽命預(yù)測等諸多與微觀物理結(jié)構(gòu)相關(guān)的磨削研究方面發(fā)揮更加重大的作用。
　　本文主要內(nèi)容如下:
　　(1)將離散元素法引入到磨削仿真中。并結(jié)合磨削加工的特點，對仿真過程中使用該理論時遇到的一些問題進行了說明并給出了解決方法。
　　(2)在沒有成熟離散元商業(yè)軟件的背景下，通過使用“C

5、++語言編寫自定義功能子函數(shù)，并借用EDEM軟件圖形界面進行前后處理”的方法，展開了磨削離散元模擬的研究。并針對編程過程中的數(shù)據(jù)存取及更新方式、程序構(gòu)架等主要問題提出了解決方案。
　　(3)在離散元砂輪建模過程中，基于實驗觀察，提出了使用截頭八面體形狀對SiC磨粒進行描述;通過實驗測量統(tǒng)計，得到了該形狀磨粒的尺寸分布規(guī)律;給出了建立平行鍵等離散元砂輪建模中關(guān)鍵步驟的操作辦法;并從三維形貌和微觀結(jié)構(gòu)兩個方面將建立的離散元砂輪和真實砂

6、輪進行了對比，證明了使用離散元素法開展砂輪建模的正確性、可行性以及準(zhǔn)確性。
　　(4)在無前人相關(guān)離散元數(shù)據(jù)的背景下，通過開展無約束壓力實驗、巴西劈裂實驗和三點彎曲實驗，對砂輪建模參數(shù)進行了標(biāo)定。為開展離散元砂輪建模和磨削仿真研究奠定了基礎(chǔ)。
　　(5)在第2、3、4章研究的基礎(chǔ)上，進行了離散元素法磨削仿真。并通過開展驗證實驗，從加工工件表面質(zhì)量和磨削力兩個大方面，表面粗糙度、三維輪廓、砂輪單位寬度法向磨削力、砂輪單位寬度切

7、向磨削力四個小方面，對實驗和仿真結(jié)果進行了定量或定性分析，驗證了使用離散元素法進行磨削仿真的正確性以及可行性。
　　(6)在證明了離散元磨削仿真的正確性和可行性之后，從磨削與成屑過程、粘結(jié)劑受力兩個能夠體現(xiàn)離散元磨削仿真特點的方面入手，討論了離散元素法磨削仿真的優(yōu)勢。結(jié)果發(fā)現(xiàn):使用離散元素法進行磨削仿真，不僅從介觀尺度上補償了現(xiàn)有磨削仿真技術(shù)的空白、為未來開展跨微、介、宏三觀的多尺度磨削仿真奠定了重要基礎(chǔ)，而且增強了現(xiàn)有方法對砂輪