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(jī)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(jī)性強(qiáng)、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(diǎn)，對(duì)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(jì)算機(jī)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(duì)于強(qiáng)動(dòng)態(tài)過程的強(qiáng)大描述能力，恰好適合用于研究高速、復(fù)雜、難以觀測(cè)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(duì)砂輪進(jìn)行分析計(jì)算。而這與真實(shí)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(shí)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(jìn)行砂輪建模和磨削仿真，并對(duì)建立的砂輪模型和磨削仿真結(jié)果進(jìn)行了討論。為驗(yàn)證模擬結(jié)果的正

3、確性，本文還開展了針對(duì)砂輪模型和磨削仿真的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，使用離散元法進(jìn)行砂輪建模和磨削仿真，除了能夠在取得和實(shí)驗(yàn)相類似的結(jié)果，驗(yàn)證其進(jìn)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(jìn)性。
　　將離散元素法引入到磨削研究中，不光從介觀尺度上補(bǔ)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(duì)砂輪非連續(xù)性微觀物理結(jié)構(gòu)描述方面實(shí)現(xiàn)了突破，而且可能將在砂輪制備配方設(shè)計(jì)、砂輪制備工藝設(shè)計(jì)、砂輪磨損與壽命預(yù)測(cè)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(diǎn)，對(duì)仿真過程中使用該理論時(shí)遇到的一些問題進(jìn)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(jìn)行前后處理”的方法，展開了磨削離散元模擬的研究。并針對(duì)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(shí)驗(yàn)觀察，提出了使用截頭八面體形狀對(duì)SiC磨粒進(jìn)行描述;通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量統(tǒng)計(jì)，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(gè)方面將建立的離散元砂輪和真實(shí)砂

6、輪進(jìn)行了對(duì)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(shí)驗(yàn)、巴西劈裂實(shí)驗(yàn)和三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)，對(duì)砂輪建模參數(shù)進(jìn)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(jìn)行了離散元素法磨削仿真。并通過開展驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，從加工工件表面質(zhì)量和磨削力兩個(gè)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(gè)小方面，對(duì)實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果進(jìn)行了定量或定性分析，驗(yàn)證了使用離散元素法進(jìn)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(gè)能夠體現(xiàn)離散元磨削仿真特點(diǎn)的方面入手，討論了離散元素法磨削仿真的優(yōu)勢(shì)。結(jié)果發(fā)現(xiàn):使用離散元素法進(jìn)行磨削仿真，不僅從介觀尺度上補(bǔ)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(qiáng)了現(xiàn)有方法對(duì)砂輪