基于试验和仿真的高速磨削加工中几个重要参数的离散度研究(长沙)

汇报人：陈剑斌指导老师：方棋洪教授湖南大学机械与运载工程学院力学系

基于试验和仿真的高速磨削加工中几个重要参数的离散度研究2基于仿真的残余应力离散度基于试验的磨削力、表面粗糙度离散度小结及展望34汇报提纲1研究背景、方法及内容1、研究背景、方法及内容研究背景①在常用的加工中，磨削去除单位体积材料是最贵的，能占加工过程的80%。（高效）②难加工材料（如高强度钢、光学玻璃、工程陶瓷）在磨削加工时磨削力大、磨削温度高，同时伴随表面/亚表面微裂纹形核与扩展、残余应力等多种损伤的出现。（高质量）③为最大程度提高磨削效率、减少工件亚表面损伤、大幅度降低后续抛光时间，用以优化磨削参数的逻辑方法的发展需要建立在对磨削机理及其对表面损伤和力学特性影响理解的基础上。（微观角度、定量分析）1、研究背景、方法及内容目前，对磨削加工产生的各种损伤的研究方法主要有：①试验法：效率低、成本高②数学物理建模法：Lawn压痕断裂力学模型③有限元仿真法：移动热源、二维平面问题

共同点：影响因素众多，导致结果存在不同程度的离散性。1、研究背景、方法及内容主要研究内容（1）基于仿真的残余应力离散度（2）基于试验的磨削力、表面粗糙度离散度离散度表示观测组中个体的差异或偏离程度的特征值，又称为差异度、分散度。它可表现一组数值的散布区域，或反应平均值代表程度的大小。当离散度小时，平均值比较能代表该数组中的各个数值；当离散度大时，平均值不能代表该数组中的各个数值。离散度的主要表征种类：极差R、标准差、变异系数Cv2、基于仿真的残余应力离散度目的：根据残余应力的动态分布来优化磨削参数以减少磨削表面残余应力材料本构：材料：40Cr密度：7820kg/m3弹性模量：210GPa泊松比：0.3比热：703.4J/kg/℃断面收缩率：45%2、基于仿真的残余应力离散度摩擦条件：修正的Coulomb摩擦定律滑动区：Coulomb，0.3粘着区：Shear，0.62、基于仿真的残余应力离散度加工工况：加载、卸载、冷却加载：固定边界，磨粒转动(-Y)，刚塑性，Vs:30~180m/s，ap:15~40μm卸载：刀具平动(+Z)，弹塑性，

V’s:60m/s冷却：约束转换，磨粒温度降至室温(20℃)传热系数：环境、工件—磨粒2、基于仿真的残余应力离散度高速磨削几种现象：瞬态冲击、塑性变形、绝热剪切带2、基于仿真的残余应力离散度温度历程①接触区某点P1：塑性变形升温→摩擦升温→脱离接触降温②非接触区点P2：塑性变形升温→脱离接触降温应力历程：不同时刻机械应力和热应力各自起主导作用，应力呈现出拉伸或压缩状态。2、基于仿真的残余应力离散度磨削力：评估易磨性，与磨削机制、材料特性及微结构、加工参数的选择等密切相关。

①主要磨削力：法向

②磨削力比：1.5~1.7之间(b)[1]李蓓智,高速高质量磨削理论、工艺、装备与应用(2012)，磨削普通金属时，磨削力比为1.6-1.8.2、基于仿真的残余应力离散度残余应力：复杂、离散性，影响工件疲劳寿命、可靠性[2]JMaterProcessTechnol(2001)109:254–257，通常在深度10~20μm附近测得最大残余（拉）应力值2、基于仿真的残余应力离散度残余应力离散度：①极差：直接影响疲劳裂纹的萌生与扩展②标准差：直接影响疲劳寿命预测精度2、基于仿真的残余应力离散度残余应力离散度：③变异系数：比较不同组别数据离散度，可信度高3、基于试验的磨削力、表面粗糙度离散度试验条件①超高速数控磨床：杭州机床厂、MKL7132X8/17型，主轴最高转速10000r/min，砂轮电动机功率50kW，砂轮最高线速度200m/s②磨削液：高速水基SY-1，浓度5%，供液压力4MPa，流量40L/min。3、基于试验的磨削力、表面粗糙度离散度试验条件③高速砂轮规格④试件：BK7，尺寸60mm×40mm×20mm磨料

粒度号浓度磨料厚度(mm)硬度结合剂宽度(mm)安全速度(m·s-1)直径(mm)金刚石120#100%5中硬树脂15160400密度：2.510g/cm3弹性模量：81GPa泊松比：0.21热扩散系数：7.1e-6K-1硬度：5.1GPa应变点：559℃断裂韧度：0.85MPa·m0.5压缩强度：690GPa3、基于试验的磨削力、表面粗糙度离散度试验条件⑤加工参数：匹配磨床工艺性能，权衡加工质量、加工效率和生产成本。砂轮线速度vs/(m·s-1)工作台速度vw/(m·min-1)切深ap/(μm)30、60、90、1202.42001201.2、2.4、3.6、4.82001202.450、100、200、4003、基于试验的磨削力、表面粗糙度离散度试验结果：①磨削力：磨削力是产生裂纹的一个主要因素，磨削力及力比越小，表面及亚表面完整性越好。193、基于试验的磨削力、表面粗糙度离散度试验结果：②表面形貌：磨削过程存在的几种作用形态：a、脆性断裂b、划擦c、塑性去除abc203、基于试验的磨削力、表面粗糙度离散度试验结果：③表面粗糙度SR：JB-4C精密粗糙度测试仪abc离散度213、基于试验的磨削力、表面粗糙度离散度试验结果：④亚表面损伤SSD：SEMabcSSD与SR的关系：①SSD∝SR②SSD∝SR2③SSD=kSR2+l离散度223、基于试验的磨削力、表面粗糙度离散度试验结果：⑤磨削力、表面粗糙度离散度abc234、小结及展望小结①离散度分析能更好体现复杂结果的规律性，可以为进一步分析其内在影响因素提供依据。②较小的磨削深度和较高的磨削速度有助于实现更稳定的残余应力。③磨削力、表面粗糙度离散度主要受磨粒磨损程度、工件微观结构的影响。④总之，对具有统计差异的数据进行离散度分析，有助于提高预测精度。

ac244、小结及展望展望下一步工作重心：从细微观力学角度出发，建立新的理论模型，定量分析磨削损伤。具体如下：

拟对脆性光学材料高速/超高速磨削过程中磨粒与工件之间的作用规律展开研究，揭示在热、力耦合作用下工