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[硕士论文] 魏聪
机械工程 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:塑料异型材作为一种环保的材料,其需求性越来越广泛,特别是在建筑等市场上得到很广泛的应用。作为生产异型材的挤出模具,对其生产力提出了很高的要求。目前国内的挤出模具发展虽然已经有了很大的进步,但是随着市场提出的更高要求,国内挤出模具与国外相比还是存在一些差距,主要体现在挤出模在速度和质量上还需要进一步的提升。针对挤出模生产异型材的高效性以及高质量性的要求,对挤出模的生产制造也有很大的关联。
  目前国内挤出模的设计虽然已经开始三维模型设计,但是经验设计仍占据很大的比例,缺乏理论经验的支撑,而且设计中重复性工作较多,难以满足设计的高效性,这就导致了模具设计周期冗长,不能保证型材的质量以及精密性。
  针对以上问题,本文在结合经验设计以及理论支撑的基础上,采用微点循分算法进行模头连接孔部分设计,采用智能直通水路算法和智能S形水路算法进行定型模冷却系统的加载,在真空吸附系统中,根据定型模位置的不同进行分类,采用重用库设计,直接进行分类加载。在板内含有固定结构部分采用比例算法进行参数化设计,随板块直接成型。
  实际试模生产需要高昂的成本,因此对于系统的优化,前期主要进行软件ANSYS Workbench仿真来反应问题,本文研究了型材在定型模内的冷却性问题,主要根据前期系统自动识别型腔设计的圆形截面水孔以及后期优化的异形水孔,通过对型材的温度场模拟,来观察型材的冷却情况,进而将反应的问题反馈给系统。该方法能够有效的减少试模的次数,对于型材质量的提升有很大的意义。
  本文根据市场的需求设计了定型模的数字化系统,能够满足模具设计中高效性的问题,同时提供友好的交互界面,供使用人员根据设计需求进行更改或添加相应的结构,力求更大范围的满足市场不同种类的模具设计。
[硕士论文] 张雷
化学工程 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:化学机械抛光(CMP)是目前最普遍的表面加工技术,是公认的唯一可以实现全局平坦化的抛光方法。磨料作为CMP中的重要组成部分,直接影响抛光工件加工后的表面质量。本文以水玻璃为原料,采用离子交换法制备了大粒径硅溶胶,并在此基础上,通过化学沉淀法,对纯硅溶胶进行铈锆、铈钙改性,制备抛光用CeO2/ZrO2/硅溶胶复合磨料及CeO2/Ca(OH)2/硅溶胶复合磨料。对各产品生产过程的设备选型、经济效益、环保安全方面进行合理的分析。通过透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)-能谱(EDS)、X射线光电子能谱(XPS)、X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)等手段对样品的组成、形貌等进行表征。以所制备的复合磨料对蓝宝石晶片进行抛光,利用原子力显微镜(AFM)检测抛光后的蓝宝石晶片表面粗糙度。主要结果如下:
  (1)实验确定最佳母液制备条件为:水玻璃浓度5%水玻璃通过树脂床流量16.4mL/min,陈化时间2h,陈化温度20℃;最佳硅溶胶制备条件为:反应温度98℃,搅拌速度300r/min,活性硅酸滴加速度为4.2mL/min,活性硅酸浓度为4%,添加量与母液质量比为7∶1,反应中pH范围9-10。经过五次粒径增长,其粒径达到100nm-120nm左右,硅溶胶中SiO2粒子基本为球形,浓度可以达到30%,Na2O含量约为0.06%,pH值为9-10,密度为1.20g/mL。以所制备的硅溶胶对蓝宝石晶片进行抛光,材料去除速率为18.4nm/min,表面粗糙度为1.59nm。
  (2)实验确定最佳铈锆、铈钙掺杂量为:铈掺杂量为1.5wt%,锆掺杂量为1.0wt%,钙掺杂量为2.0wt%。所制备的两种复合磨料粒径均约为100-120nm,复合磨料中SiO2粒子基本为球形,浓度为10%左右,粒径分布较均匀。用所制备的铈锆掺杂硅溶胶抛光液对蓝宝石晶片进行抛光,材料去除速率为36.1nm/min,表面粗糙度为0.512nm;用所制备的铈钙掺杂硅溶胶抛光液对蓝宝石晶片进行抛光,材料去除速率为27.9nm/min,表面粗糙度为0.356nm。所制备的改性硅溶胶复合磨料表现出较好的抛光性能,铈锆掺杂硅溶胶在提高抛光的材料去除速率上显得尤为突出,而铈钙掺杂硅溶胶在改善蓝宝石表面粗糙度上表现出良好的效果。
  (3)经济效益估算结果表明,由水玻璃制备的三种产品(硅溶胶、铈锆掺杂硅溶胶、铈钙掺杂硅溶胶),可以获得一定的经济效益。环保评估结果表明,该生产过程可以做到基本无三废排放,是清洁生产工艺。
[硕士论文] 黄俊
机械工程 山东大学 2017(学位年度)
摘要:随着技术水平、创新能力的提升,低碳环保、高端大气的家电产品越来越受到消费者的青睐,成为市场的主流。据市场调研发现,色彩是消费者选择高端家电产品时考虑的重要因素之一。为了获得色彩亮丽、外观时尚的家电产品,传统的方法是在塑料制品表面通过粘合剂粘合或直接喷漆,此方法工序复杂、成本高,粘合剂和油漆中的有毒气体极易挥发,造成空气污染,给消费者身体健康带来了危害;近年来,绿色环保成为消费者选择家电产品时关注的重要因素。双色技术的发展在产品的外观、性能和环保上有着很大的优势,市场前景广阔,是模具行业的一种前沿技术,得到了日趋广泛的应用。
  双色产品最早应用在汽车高端产品上,比如车灯及汽车天窗双色产品。由于双色产品的独特美观效果及其高端品质,颇受消费者青睐。但由于双色制品对产品设计、模具设计及注塑工艺要求高,导致家电市场上高端的双色产品并不多见,尤其是要求苛刻的白电产品,由于技术难度大,废品率高,更是鲜有应用。
  本论文在大量阅读国内外文献的基础上,对当前双色注塑模具技术的研究现状及发展前景进行了分析,论述了双色注塑技术的研究意义。在分析双色观察窗产品工艺性及材料的基础上,通过Moldflow MPI对产品成型压力、熔接痕位置及产品变形等进行了研究。对双色成型设备的选型进行了介绍,创新开发了大型双色模具的浇注系统、成型系统、顶出系统、温控系统、模架系统及镶块定位和排气设计,解决了双色模具冲料纹及封胶困难等技术难点,并成功应用在滚筒洗衣机的观察窗上。本文还分析研究了注塑成型工艺对双色产品的影响及如何通过调整熔体温度、保压压力、注射速度及模具温度解决双色产品的缺陷。论文研究成果对大型高光双色模具注塑成型工艺技术有一定的参考意义。
[硕士论文] 牛平平
机械工程 山东大学 2017(学位年度)
摘要:树脂砂轮片的应用非常广泛,例如超薄树脂砂轮片可用以切割钻石、宝石、精密陶瓷、LED基板、电子元器件引脚和电路板等,厚树脂砂轮片可用以切割马路线,大理石,花钢石等。树脂砂轮一般安装在电动、风动磨光机上使用,工作时线速度高,若砂轮片的质量不合格,工作时极易破碎,严重威胁工作人员的生命安全。国内外基本上用传统的检测方法,对砂轮片进行回转试验,用回转强度值来衡量其安全性能,这种检测结果不能代表整体砂轮片的强度。对树脂砂轮片质量检测的设备很少并且还不够成熟,检测方法受到局限性,基于以上背景,设计对树脂砂轮片进行质量检测的设备即新型树脂砂轮片检测仪,设计的新型树脂砂轮片检测仪对砂轮片的安全及质量检测具有重要的意义。
  新型树脂砂轮片检测仪通过三点侧向负荷加压的方式对高速旋转中的树脂砂轮片进行质量检测。设计的新型树脂砂轮片检测仪由六大模块组成分别为:机架模块、加压模块、支撑模块、转动模块、进给模块、控制模块。
  设计的新型树脂砂轮片检测仪共分五部分。第一部分:设计三维模型,对各个功能模块进行三维模型的设计,并对之进行力学分析,分析结果合理之后对各个零件进行装配组成各个模块的部装图,最后完整的建立起三维模型;第二部分:设计驱动系统和软件系统,根据此设备的相关要求合理设计驱动系统,包括进给驱动系统、以及伺服驱动系统和定位驱动系统。最后设计软件系统,选用STEP7进行软件编程,实现自动及手动功能。第三部分:静模态分析,对主轴及底座进行基于workbench的静模态分析,将零件导入workbench进行静态分析跟模态分析,分析出结果,并进行优化设计;第四部分:程序设计,整个系统基于PLC的程序设计,设计自动、手动控制程序,能有效对砂轮片进行检测控制;第五部分:实验结果验证分析,对实体设备的实验及其结果分析,选用其他厂家的检测设备同时进行比对,随机选取砂轮片并对之进行检测,建立实验数据表格,通过数据结果比对,验证本次设计检测仪的正确性及可行性。以上整个流程完整的设计了一台检测树脂砂轮片质量的设备。
  本课题研究旨在于融入现代设计手段,通过软件及硬件的设计相结合,运用成熟的三维制图软件、编程软件、结构分析软件设计出合理的检测仪。设计出的新型树脂砂轮片检测仪结构简单、自动化高、操作简便、测量结果准确,有效的实现了对树脂砂轮片的质量检测,能有效填补国内空白,并具有推广意义。同时新型树脂砂轮片检测仪的整个设计研发过程对其它设备研发也具有很好的参考价值。对于提高树脂砂轮片的质量及使用安全产生重要的影响。
[博士论文] 周兰
机械制造及其自动化 浙江大学 2017(学位年度)
摘要:螺旋铣制孔技术与工业机器人相结合,可实现干切削工况下的高效制孔,并且在提高加工质量、降低生产成本方面较传统钻削体现出显著优势。但是,航空难加工材料物化属性特殊、切削性能差,使提高螺旋铣制孔质量、避免出口缺陷与抑制刀具磨损变得极具挑战性。为此,本文基于螺旋铣运动学特征,设计了一种专用刀具分屑结构,对其切削过程力学理论进行深入分析,并针对钛合金(TC4-DT)、碳纤维增强复合材料(CFRP)及CFRP/Ti叠层材料,开展系统性试验研究。
  首先,介绍螺旋铣技术及其刀具研究现状,以航空难加工材料为背景,分析钻削过程产生的质量问题,指出螺旋铣制孔工艺的优势。基于螺旋铣运动学分析,构建运动学方程,对关键运动学矢量进行数学描述;应用MATLAB实现运动轨迹仿真分析,明确切削范围特点及其与自转/公转转速比(R1)、孔径/刀具直径比(R2)之间的关系。
  提出了螺旋铣制孔专用刀具设计方案。介绍分段式端刃、螺旋状侧刃和齿背冷却孔结构特征,重点阐述分段式端刃分屑结构、四齿同结构和两两对称同结构的仿真设计方案;以不同方案获得的未变形切屑和加工表面形貌的仿真结果为依据,实现专用刀具的端刃结构优化与数学描述;根据优化后的刃型及其关键点的运动轨迹特征,综合R1、R2对轨迹形貌的影响,进一步研究各参数对未变形切屑仿真结果的作用规律;通过不同参数下产生的切屑几何形貌、切削力和制孔质量,验证专用刀具的分屑作用。
  针对螺旋铣制孔专用刀具,构建了一个非线性切削力模型。通过建立用于描述切削量的坐标系,重点对不同刀齿在稳定加工阶段半自转周期内产生的切屑厚度、切削宽度进行数学描述与数值计算;采用平均力模型的方法,设计实施切削力系数标定试验,对该系数进行线性拟合与计算;最后通过设计开展TC4-DT螺旋铣制孔试验,实现对该切削力模型的验证,并深入分析不同加工参数下的切削力变化规律。
  基于螺旋铣制孔专用刀具,针对航空难加工材料(TC4-DT、CFRP及CFRP/Ti叠层材料)进行了系统性试验研究。通过对不同参数下的切屑几何特征、切削力变化趋势和制孔质量变化规律进行深入分析,实现了单层TC4-DT、CFRP板螺旋铣制孔过程的参数优化,进而阐述了刀具磨损特征及其对切削力和制孔质量的影响;重点研究CFRP/Ti叠层材料螺旋铣制孔精度,阐述了TC4-DT与CFRP平均孔径与圆度的变化规律,进一步验证了专用刀具的分屑优势。
  最后总结本文的主要研究内容、提炼创新点,并对未来的研究工作提出展望。
[博士论文] 季文彬
机械制造及其自动化 山东大学 2017(学位年度)
摘要:针对目前均质刀具材料硬度与强韧度的矛盾性,以及涂层刀具的涂层薄、涂层脱落无法重磨使用等问题,利用陶瓷物相的高硬度和高热化学稳定性等优势,以研制能适应难加工材料极端切削使役环境的复合刀具为目标,设计和制备了一种梯度功能金属陶瓷复合刀具。本文对梯度功能金属陶瓷复合刀具的物相组成、微观组织与性能分布、梯度形成机理、室温力学性能、摩擦磨损特性和切削性能进行了系统深入的研究。设计制备的梯度功能金属陶瓷复合刀具的力学性能和微观结构具有梯度分布状态,达到了表层硬度高和耐磨损性能良好、亚表层韧性高和界面结合强度高及整体综合力学性能优的特性。研制的新型梯度功能金属陶瓷刀片在车削不锈钢时展现出良好的切削性能,具有应用推广的价值。因此,本研究具有广泛的应用前景和重要的理论与实际意义。
  根据高速切削刀具的使役性能要求,提出了梯度功能金属陶瓷复合刀具材料的设计原则,设计了一种匹配性良好的梯度功能金属陶瓷材料组分体系,并制定了其一步烧结制备工艺方法。设计的梯度功能金属陶瓷刀具材料在烧结前仅具有表层与基体,在烧结过程中基于元素扩散驱动金属相重新分布机理形成了高韧性亚表层,在烧结后形成了由表层、亚表层和基体构成的梯度微观结构。制备的梯度功能金属陶瓷刀具的不同位置具有不同抗失效性能,即表层硬而耐磨损、亚表层韧而抗表层剥落、整体强而抗断裂。揭示了梯度功能金属陶瓷复合刀具材料梯度微观结构的形成机理,即元素扩散驱动金属相重新分布机理,建立了梯度功能金属陶瓷复合刀具材料梯度微观结构的演变机理模型。选择TiB2-TiC复合粉为表层组分,Ti(C,N)复合粉为基体组分,选择Ni为金属相,Mo为第二相,VC为表层添加相。采用真空热压烧结技术加后处理的工艺方法,成功制备了梯度功能金属陶瓷复合刀具材料。
  研究了表层特性、金属相含量和烧结工艺对梯度功能金属陶瓷复合刀具材料微观结构和力学性能的影响。结果表明,在本研究参数范围内,最优的表层VC含量为4wt%,在表层添加VC可以起到降低表层烧结温度,提高表层致密度,促进表层与基体的匹配性等作用。最佳的表层厚度为230μm左右,表层厚度主要影响表层中残余应力的大小,进而影响材料的抗弯强度,对硬度的影响不显著。优化了金属相,表层Ni含量及基体Ni/Co比和基体Ni含量。结果表明,Ni比Co更适合做为梯度功能金属陶瓷复合刀具材料的金属相。最佳的表层Ni含量为6wt%,最佳的基体Ni含量为12wt%。金属相含量对基体中Ti(C,N)晶粒的芯-壳结构有显著影响,最佳的芯壳面积比k在1.20-1.23左右。优化了梯度功能金属陶瓷刀具的烧结工艺。结果表明,梯度功能金属陶瓷刀具材料在升温速率为30℃/min,烧结温度为1500℃,保温时间为40min,烧结压力为32MPa的工艺条件下获得最佳的综合力学性能。最优刀具材料的抗弯强度为1520MPa,表层硬度为27.28GPa,基体硬度为21.63GPa,断裂韧度为7.04MPa·m1/2。
  研究了梯度功能金属陶瓷刀具材料的摩擦特性与磨损机理。与Ti(C,N)基金属陶瓷材料(TC)相比,研制的梯度功能金属陶瓷复合材料(GC)的摩擦系数较高,但磨损率较低,并且两者的主要磨损机理不同。通过与440C不锈钢球、Al2O3球、Si3N4球三种不同材料的摩擦磨损实验,研究了GC和TC的摩擦行为和耐磨性能。GC和TC与440C不锈钢球滑动摩擦时,摩擦系数与滑动速度没有明显的关系,但与Al2O3球和Si3N4球滑动摩擦时,摩擦系数明显受到滑动速度的影响。研究了GC的磨损率与滑动速度和载荷之间的关系,结果表明,不同摩擦材料之间的规律是不同的。摩擦磨损过程明显受到材料性能、晶体结构、实验条件等各种因素的影响。大多数滑动摩擦条件下,GC的耐磨性要明显高于TC。研究了梯度功能金属陶瓷GC在与不同材料摩擦时的磨损机理和耐磨性,结果表明,与440C不锈钢滑动摩擦时GC的主要磨损机理是粘结磨损,但粘结磨损量较TC少;与Al2O3或Si3N4滑动摩擦时GC的主要磨损机理是磨粒磨损,但磨痕轻微。综上所述,GC具有良好的耐磨损性能,更适合用作难加工材料的切削刀具。
  设计了一套坯体的干压成型模具,并利用光固化3D打印技术实现了模具的快速成型制造。使用该模具将梯度功能复合刀具坯体干压成型,然后将成型坯体热压烧结,成功制备了三种不同部位具有梯度结构的金属陶瓷复合刀片,分别是只前刀面为梯度结构的GC-A,只后刀面为梯度结构的GC-B和各刀面均为梯度结构的GC-C。研究了这三种梯度功能金属陶瓷复合刀片的切削性能,对刀片的切削性能进行了全面的评价。与商用Ti(C,N)金属陶瓷刀具CX50相比,采用相同切削用量切削不锈钢时GC-A的刀具寿命更长,加工质量更好且更稳定。在150m/min速度下切削17-4PH不锈钢时,GC-A的刀具寿命为89min,而在100m/min速度下车削321不锈钢时,GC-A的刀具寿命为21min。低速度车削17-4PH不锈钢时,GC-A刀具主要表现为后刀面磨损失效,主要磨损机理是磨粒磨损和沟槽磨损。高速度车削17-4PH不锈钢时,GC-A刀具主要表现为破损失效。低速度车削321不锈钢时,GC-A刀具的主要失效形式是刀具后刀面磨损失效;高速度车削时,刀具前刀而破损失效,后刀面有剥落。与GC-A刀片相比,在相同切削条件下切削17-4PH不锈钢时GC-B刀片的刀具寿命仅为35min且GC-B刀尖处会产生崩刃破损失效;GC-C刀片的刀具寿命为85min,与GC-A刀片的刀具寿命相当,刀片后刀面均匀磨损失效,但没有产生类似GC-A刀片明显的沟槽磨损。
[硕士论文] 许琼生
机械工程 广东工业大学 2017(学位年度)
摘要:传统树脂结合剂金刚石砂轮使用酚醛树脂与金刚石混合热压固化而成,该方法难以实现砂轮内部微细结构的设计,本文提出使用选区激光烧结SLS这种3D打印方法制备树脂结合剂金刚石砂轮,研究选区激光烧结树脂金刚石砂轮的结合剂配方、制备工艺、制备了不同内冷却流道微结构,研究了不同内冷却流道设计金刚石砂轮的磨削力特征、被加工材料表面及砂轮磨损机理。
  首先,研究了SLS选区激光烧结金刚石砂轮的配方设计、烧结工艺。实验表明, SLS烧结工艺参数为:激光功率25W,扫描速度2000mm/s,单层层厚0.1mm,未添加白刚玉填料结合剂SLS烧结温度171.5℃。添加白刚玉填料结合剂SLS烧结温度173.5℃。添加白刚玉粉末的砂轮节块抗弯强度降低,气孔率降低,硬度增大。
  采用SLS选区激光烧结树脂金刚石砂轮对玻璃、YG15硬质合金和氧化铝陶瓷这三种材料进行了磨削,结果表明:增大砂轮磨削深度,砂轮切向、法向磨削力都增大。增大砂轮的转速,砂轮切向、法向磨削力都下降。选区激光烧结3D打印制备砂轮的内冷却微流道可以降低金刚石砂轮磨削力。流道直径越大,砂轮切向、法向磨削力减小。流道数量越多,砂轮切向、法向磨削力减小。
  SLS选区激光烧结树脂(尼龙)结合剂金刚石砂轮经打印工艺优化、配方及内冷却流道设计,可以有效加工玻璃、YG15硬质合金,由于氧化铝陶瓷硬度较高,难以实现有效磨削。SLS选区激光烧结树脂金刚石砂轮加工YG15硬质合金时金刚石是以磨耗磨损及微破碎的形式磨损,同时也伴随尼龙结合剂热软化塑形流动。
[硕士论文] 王玫
动力工程及工程热物理 北京化工大学 2017(学位年度)
摘要:近年来,电子、光学、医疗、生物等领域对微制品和微零件的需求大幅增加,微结构加工技术得以快速发展,以满足产品微型化要求。微热压法在微结构加工领域得到了广泛应用。目前,微热压大规模生产的主要制约因素在于热压循环时间,通常为10分钟或者更长,因此迫切需要对模具变温技术深入研究,以实现模具快速加热冷却,进而有效缩短循环时间。
  在本研究中,利用新型材料石墨烯层极高的导热性和导电性及表面粗糙度低等特性,设计改进传统微热压方式,在含有微结构的模具表面镀石墨烯层,研究其温升效果,实现微热压快速加热和冷却。本研究针对微热压快速热循环的主要研究内容如下:
  1、选择硅材料作为模具基底,设计面密度大的密集型微流道结构。在硅模具上表面采用化学气相沉积(CVD)的方法镀石墨烯层。之后对加工成的石墨烯层做光镜测试、拉曼光谱测试,观察加工质量。对硅模具上石墨烯层温度特性分别进行模拟研究。模拟表明石墨烯层升降温速度与电压及镀层厚度有关,电压越高、镀层越厚,升温速率越快。
  2、搭建微热压模具热循环实验装置,包括大功率直流电源、温度采集装置、硅材料模具、热电偶,进行温度均匀性及升降温特性研究。使用便携式红外热像仪EA20IR测量硅模具表面温度分布均匀程度。之后分别对无石墨烯层及有石墨烯层的硅模具进行加热实验,对比石墨烯层对加热结果的影响。
  3、分析聚合物材料流变机理,材料性质与温度、时间的关系;选择合适的聚合物数值模拟模型,使用DEFORM2D进行聚合物流动模拟,采用对称结构简化模拟计算,分析占空比、下压量、应力、应变、流动速度、聚合物片厚度等随微热压成型影响变化。
  4、搭建快速热循环微热压实验台,设计四因素三水平正交实验,热压温度设为110℃、120℃、130℃,电压水平设为40V、50V、60V,热压机电机输出设为5%、10%、15%,尺寸(间距/宽度)设为80μm、110μm、140μm。研究分析各影响因素对微热压成型效果的影响。
  本研究设计改进传统微热压方式,实现微热压快速加热和冷却。这种新型微结构加工方式的开发对后续缩短微热压循环时间的研究有重要意义。
[硕士论文] 刘志峰
材料科学与工程 广东工业大学 2017(学位年度)
摘要:SUS304不锈钢是用途非常广泛的一种铬-镍不锈钢,具有良好的耐蚀性、耐热性和机械特性,在航空航天、动力机械、石油化工等领域应用广泛。在管材弯曲过程中将不可避免地出现回弹问题,回弹是影响成形质量的一个非常顽固的缺陷。回弹问题的有效控制解决,是金属管材弯曲精密高效成形的关键。为此,本文以SUS304不锈钢管为研究对象,采用一种改变弯曲模具材料的方法来减小管材绕弯后的回弹,主要研究内容如下:
  对SUS304不锈钢管材试样进行单向拉伸试验,获取管材的真实应力应变曲线和力学性能参数。通过摩擦磨损试验确定模具材料和管材之间的摩擦系数。根据管材弯曲受力状态,建立力学平衡微分方程,系统分析管材弯曲成形过程应力应变状态;推导管材弯曲回弹角的计算公式。建立SUS304不锈钢管弯曲成形和回弹过程的有限元模型。
  比较管材在变形体模具和刚性体模具两种不同条件下弯曲成形和回弹过程的应力应变的分布情况。结果表明:变形体弯曲模条件下成形后,管材内外侧的轴向切应力S22、环向切应力S11、回弹后管材的内侧应力和应力中性层偏移量都小于刚性体弯曲模条件下成形的结果。管材内侧应变PE33前者大于后者,内侧应变PE22在两种条件下分布差距不大。
  系统研究了几何、工艺和材料参数对弯曲回弹的影响。结果表明:弯曲角随着相对弯曲半径和弯曲角度的增大而增大,回弹角随着壁厚增大出现先减小后增大的趋势。回弹角随着屈服强度的增大而增大。回弹角随着弹性模量的增大而减小。在弹性模量一定的情况下,硬化指数越大,卸载后回弹角越小,强度系数越大,回弹角越大。随着助推块与管材间的间隙的增大,管材的回弹角变化不大。回弹角随着管材与弯曲模间隙增大而增大。随着管材与弯曲模和助推块间摩擦系数的增加回弹角先增大后趋于稳定。弯曲速度和助推速度对回弹的影响不大。通过试验验证本文建立的有限元模型基本正确。经过正交试验可知当改变模具材料时需要重点关注杨氏模量的影响。
[硕士论文] 邱剑鹏
航空工程 南昌航空大学 2017(学位年度)
摘要:企业在加工过程中首先面临的是装夹工件的问题,这个过程直接影响了产品的质量,而工件装夹的质量取决于夹具的设计。也就是说夹具设计的质量和效率直接影响了企业产品的质量和生产效率。在生产制造中,企业不断的追求更好的质量、更高的效率和最低的成本。这样他们才能够在全球化的市场竞争中得以生存,得以发展。在整个加工过程中,夹具设计时间占整个加工周期的35%-50%左右,从提高夹具设计效率方面来缩短加工周期显得非常重要。然而传统的夹具设计最为典型的是类比法和经验法,这些方法不但成本高、效率低,而且夹具的使用范围及其有限。难以达到小批量、多品种的市场要求,难以达到CAD/CAPP/CAM集成的要求。另外,现代加工中常常出现待加工工件尺寸大、定位准确性和协调性差、容易变形等情况,这使得夹具设计工作难上加难。所以打破传统思维方式,探索新的高效率的夹具设计方法迫在眉睫。
  大量的夹具设计案例为夹具设计提供了可重用的经验和知识,为实现夹具快速设计奠定了基础,而准确的检索到相同或者相似的夹具设计案例则是实现夹具快速设计的核心与关键.为此,本文根据零件B-rep表示的实体模型,通过特征之间的几何拓扑关系构造零件的标号图.结合标号图的线性顺序性和扩展延续性,提出了特征标识的确定原则,构建了最小DFS编码的遍历流程.针对新零件的最小DFS编码与夹具案例的最小DFS编码,提出同构子图的挖掘方法,在建立零件相似度和图集相似度的基础上,进一步提出最大同构子图的判断标准.最后通过挖掘零件的装夹特征及自身几何关系的最大同构子图,以装夹特征的最大同构子图为优先准则,完成新零件与夹具图集的准确匹配,实现夹具的快速设计过程.
[硕士论文] 孙烁
机械工程 南昌航空大学 2017(学位年度)
摘要:研究机械加工过程中夹紧力的合理规划是保证加工质量的核心环节,对于实现加工过程中夹紧力的可靠性和工件的精密化至关重要,为此构建了全区域夹紧力变向迭代规划算法。根据工件在装夹布局中的受力状态以及工件与装夹元件之间接触力的方向约束条件,分别依据夹紧力大小与夹紧点位置的未知和已知情况,结合线性规划技术分别建立了有静摩擦力和无静摩擦力的力的存在性和力的可行性分析方法。在夹紧力存在的条件下,通过离散夹紧表面为点集的方法,逐点地以一定步长正向从最小值开始选取夹紧力的大小,根据当前值与上一次取值之间可行性的差异,确定下一次取值的步长及其方向,若可行性相同则以相同步长继续正向取值,否则步长减少、反向取值,直至步长的绝对值小于阈值,建立全区域夹紧力的变向迭代规划算法,该算法将连续型的夹紧力设计问题转化为离散型,并将连续的待装夹表面转化为点集,不仅适合于形状复杂的工件,而且还利于计算机实现夹紧力的自动化设计。
  对于当单一夹紧力不能使工件在加工过程中稳定,需要多点装夹的情况。提出了多夹紧力迭代规划算法。通过用合力和投影角度表达每个夹紧力。并以判断该合力下是否至少存在一组夹紧力组合使工件稳定为迭代标准。若此次迭代标准与上次相同时,则迭代步长和迭代方向不变。若不同则迭代步长缩小并反向迭代。直至步长的绝对值在给定的阈值范围内。
  针对迭代规划算法的参数选取问题,本文以最少的计算次数为目标函数,运用遗传算法将迭代规划算法中的三个参数进行优化。旨在提高算法的效率。
  基于复杂零件夹紧表面的夹紧力全区域规划不仅适用于具有复杂表面的工件,而且能够避免工件处于非稳定状态下优化模型的求解过程。提高了计算效率,使夹紧点与夹紧力的选取有了一个计算标准,为复杂工件装夹布局方案的合理设计提供了基础理论。多夹紧力迭代规划算法则能搜寻出多个夹紧力共同作用下每个夹紧力的取值范围,为需要多点装夹的工件的夹紧力选取提供力选取标准。
[博士论文] 文豪
机械工程 广东工业大学 2017(学位年度)
摘要:近年来,随着航空航天、汽车、模具及消费产品等行业的快速发展,复杂曲面零件得到了越来越多的应用。三角网格模型可用于曲面零件的外观表达,具有快速灵活及拓扑适应能力强的优点,在增材制造、质量检测、再设计与再制造工程等相关技术领域得到了广泛应用。基于三角网格模型的直接数控加工可避免反求曲面模型的繁琐操作、误差控制及曲面质量等问题,是实现快速制造的一个重要途径。然而,三角网格模型仅由网格面片组成,在数控代码生成、加工精度及加工质量等方面仍存在问题,并有待于进一步的研究。本论文针对三角网格模型直接数控加工中的刀具轨迹生成方法,开展较为深入的研究。基于CL路径法的三角网格模型实验加工与缺陷分析,提出一种面向复杂曲面网格模型的刀具轨迹生成新方法,其中包括网格模型的顶点偏置方法、离散误差补偿的刀位点生成算法及双向插值的刀具轨迹生成算法,开发复杂曲面网格模型的直接数控加工系统,生成复杂曲面网格模型的刀具轨迹,实现三角网格模型的直接数控加工。本论文的主要研究内容包括以下几个方面:
  (1)深入调研复杂曲面网格模型的直接数控加工方法,了解该领域的国内外研究现状,分析目前三角网格模型刀具轨迹生成的CL路径法,指明当前三角网格模型刀具轨迹生成中存在的关键技术问题,确定本论文的研究内容与实施方案。
  (2)基于模型文件的格式描述,分析网格模型的质量问题对刀具轨迹生成的影响,提出模型数据的拓扑重构方法,为网格模型的刀具轨迹生成提供有效的模型数据。基于网格模型的CL路径法,实现粗细两种网格模型的实际加工,分析加工零件的表面质量,发现网格模型加工表面出现的凸面凹坑、凹面凹槽及区域三角化缺陷问题,明确目前网格模型CL路径法的关键技术问题。
  (3)研究网格模型的顶点偏置方法,提出基于边界顶点相邻网格面片补齐的边界顶点法矢修正算法及基于相邻面片偏置误差加权的顶点偏置距离补偿算法,有效改善三角网格模型的偏置效果。针对边界顶点法矢计算偏差所引起的加工过切问题,通过边界顶点相邻网格面片补齐的边界顶点法矢修正计算,消除边界区域的实际加工问题。基于偏置模型的实际偏置距离,分析模型偏置距离不足造成加工过切问题,通过基于相邻面片偏置误差加权的顶点偏置距离补偿,减小偏置模型的偏置误差。
  (4)研究偏置模型的刀位点生成方法,提出基于近似曲面轮廓曲线截平面求交的离散误差补偿刀位点生成算法,避免三角网格模型离散误差造成的刀位点计算精度问题。在走刀方式选择及残留高度计算的基础上,详细研究偏置模型刀位点生成的截平面求交法,探讨截平面与网格面片的位置关系,给出截面交点的计算方法。详细分析三角网格模型离散误差对截面交点计算精度的影响,重点研究网格模型加工零件表面的缺陷机理,通过刀位点的离散误差补偿,改善刀位点的计算精度。
  (5)研究刀位点的刀具轨迹生成方法及刀具轨迹的插补算法,提出双向插值的刀具轨迹生成算法,实现刀具轨迹的光滑处理。采用三次非均匀B样条曲线插值的方法,实现截平面方向的刀具轨迹生成及光顺处理。通过刀位点的双向插值,解决垂直于截平面方向的刀具轨迹连接问题。基于走刀步长与逼近误差的几何关系,分析样条曲线的插补方法,通过等参数直线逼近的方法,实现刀具轨迹的插补点坐标计算。
  (6)基于三角网格模型的刀具轨迹生成方法,开发了复杂曲面网格模型的直接数控加工系统,实现了本论文提出的面向复杂曲面网格模型刀具轨迹生成新方法。通过多个实例模型的加工实验与结果分析,对刀具轨迹生成新方法的有效性进行了验证,为复杂曲面网格模型的直接数控加工提供了有效的理论依据。
  最后,进行全文的总结,并总结展望在复杂曲面网格模型的直接数控加工方法研究中存在和需进一步解决的若干问题。
[硕士论文] 郭艳
机械工程 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:《中国制造2025》中明确提出“在航天、汽车、机床等重点领域集中开展数控机床专项成果的应用验证,全面推进国产数控系统、功能部件和刀具的研发和配套应用,最终实现机床智能化”。刀具作为数控加工的一个重要部件,其可靠性直接影响到整个加工过程的加工效率和稳定性。因此,开展刀具可靠性分析,具有重要的理论和现实意义。
  对刀具进行可靠性分析时,需要获得刀具退化数据。为了获得刀具退化数据,本文针对难加工材料进行刀具切削加工实验,由于加工工况、现场环境等各方面因素的限制,难以获得大量的实验数据。针对此“样本小、数据乏”的难题,引入Bayes(贝叶斯)方法对经验信息进行综合。在该理论基础上,本文围绕刀具退化数据开展刀具可靠性分析,具体研究内容主要包括以下三个方面:
  (1)为了得到刀具在某一固定时刻可靠度值,本文提出了一种基于退化量分布模型的刀具可靠性分析方法。该方法通过确定某一固定时刻刀具退化数据分布,结合 Bayes理论,计算刀具在某一固定时刻可靠度值。为了得到刀具可靠度随时间的变化趋势,本文在假设刀具失效分布已知的基础上,对刀具进行可靠性分析。
  (2)为了模拟出刀具的退化过程,本文提出了一种基于退化过程模型的刀具可靠性分析方法。该方法在未考虑个体差异的条件下,基于 Bayes理论,对刀具退化模型中的参数进行更新,实现了对刀具退化过程的模拟和刀具可靠性分析。同时,由于同一刀盘上的刀具退化过程存在差异,本文提出了一种考虑个体差异的随机过程模型的可靠性分析方法,该方法得到了刀具可靠度随时间的变化趋势。
  (3)为了对上述两种方法进行验证,本文实施了难加工材料数控加工实验。此实验在考虑了切削用量对切削效率影响的条件下,设计了三因素三水平正交实验。每组切削用量下,进行10次切削加工,收集了大量的实验数据,并运用此数据对上述方法进行验证。
  此外,在此实验中除了采集到刀具磨损量数据外,采集到的实验数据还包括:振动信号,表面粗糙度和工件切屑数据。基于此数据对刀具磨损状态进行多角度监测,形成了比较全面的刀具切削加工数据库。
  通过对刀具磨损量分析,证明本文提出的方法可以很好地对刀具进行可靠性评估,为数控加工工艺规划和机床刀具智能选择提供了理论支撑。
[硕士论文] 王鹏
机械工程 广东工业大学 2017(学位年度)
摘要:钎焊金刚石砂轮是通过钎料合金和金刚石的化学冶金结合而成,磨粒结合强度高,金刚石出刃度高,砂轮容屑空间大,磨削锋利度高。但由于工艺限制,目前钎焊技术难以制备细粒度钎焊金刚石砂轮,此外由于钎焊过程中金刚石表面会产生微米级的石墨层,将弱化细粒度金刚石强度,因此目前钎焊金刚石砂轮多以200目以粗粒度制备。当前工业加工中有精密磨削钎焊金刚石砂轮的需求,为了制备精密磨削钎焊金刚石砂轮,本文提出了使用脉冲激光对粗粒度钎焊金刚石砂轮进行微结构刻蚀,制备了刃-孔协同分布单层钎焊金刚石微结构砂轮,研究其激光刻蚀工艺规律和微结构砂轮磨削Al2O3陶瓷材料和AlSiC复合材料的磨削性能和磨损特性。
  研究了光纤脉冲激光刻蚀CVD金刚石薄膜的工艺规律,分析了激光加工参数(扫描速度、扫描次数、脉宽)对加工CVD金刚石薄膜阵列锥形微孔的影响。结果表明:随着激光扫描次数的增加微孔出口孔径增大、微孔锥度减小;随着激光脉宽的增大微孔深度和微孔出口孔径增大、微孔锥度减小。微孔入口孔径没有随着激光参数的改变而出现明显变化,主要因为微孔入口孔径与激光扫描直径和激光焦散面有关,入口孔径随着激光扫描直径和焦散面的增大而增大;微孔出口孔径和微孔深度随着激光总能量的增加而增大。
  制备了多组刃-孔协同分布单层钎焊金刚石砂轮,研究了砂轮磨削Al2O3陶瓷材料、AlSiC复合材料的磨削性能,被加工材料表面质量以及砂轮磨损机理。结果表明:在相同磨削条件下,刃-孔协同分布金刚石砂轮和微刃金刚石砂轮与普通单层钎焊金刚石砂轮相比,磨削力减小,获得的材料表面质量提高;刃-孔协同分布金刚石砂轮和微刃金刚石砂轮相比,磨削Al2O3陶瓷材料时表面粗糙度从1.03μm降至0.92μm,磨削高体积分数AlSiC复合材料时表面粗糙度也有所减小,但是磨削低体积分数的AlSiC复合材料时表面粗糙度没有进一步降低。原因是激光在金刚石砂轮上刻蚀微刃使砂轮更加锋利,刻蚀刃-孔协同分布的微结构可以使砂轮磨粒在磨削过程中以微破碎形式出现,使砂轮具有自锐效果。
  
[硕士论文] 卢家锋
机械工程 广东工业大学 2017(学位年度)
摘要:金属结合剂金刚石工具在干式加工中易因结合剂的高温蠕变而导致金刚石磨粒早期脱落,从而失去磨削的锋利性。Ni3Al金属间化合物具有较高的高温强度和蠕变抗力,而且在一定的温度范围内具有反常屈服效应,是一种优异的高温结构材料。本论文采用 Ni3Al金属间化合物作为金刚石工具结合剂的主要组成相,制备金刚石工具,研究其微观结构、力学性能及加工性能。
  首先本文采用燃烧合成反应法制备了Ni3Al,并探讨其粉碎机理。基于Ni3Al结合剂,研究添加B、Cu-Sn、Ni-Cr、Co烧结助剂对Ni3Al基金刚石刀头力学性能的影响,并对其微观形貌和物相组成进行分析。制备 Ni3Al基金刚石工具,研究其加工硅酸盐玻璃和微晶陶瓷的加工效率以及磨削力,分析工具的磨损机理以及材料的去除形式。得到的主要结论如下:
  在最高温度为900℃的燃烧合成反应制备的Ni3Al中,生成物中除了有Ni3Al外,还有NiAl生成以及未反应的Ni,而当温度上升到1100℃甚至更高时,燃烧反应完全进行,反应产物为Ni3Al。
  高能球磨法粉碎Ni3Al时,球磨5h后,颗粒上有明显的挤压、变形、破碎现象,随着时间的增加,大部分颗粒变为片状,Ni3Al的中位粒径逐渐变小且最终其尺寸为29μm并趋向稳定。
  添加0~30vol.%范围的B、Cu-Sn、Ni-Cr、Co烧结助剂后,Ni3Al基金刚石刀头的密度、抗弯强度、硬度都有不同程度的提高;随着Cu-Sn、Ni-Cr烧结助剂含量的不断增加,Ni3Al基金刚石刀头的抗弯强度在10vol.%处达到最大值,之后随着含量的增加其强度出现不同程度的下降;而随着Cu-Sn烧结助剂含量的增加,Ni3Al基金刚石刀头的硬度出现了不同程度的下降,并且随着热压温度的提高、含量的增加而下降得越明显。EDS分析结果表明,合金元素均匀地分布于Ni3Al中,Cu-Sn烧结助剂中的Ti和Ni-Cr烧结助剂中的Cr元素在金刚石的表面出现了富集现象。XRD分析表明添加Cu-Sn、Ni-Cr烧结助剂的Ni3Al基金刚石刀头生成了新的金属间化合物Cu0.8Ni0.19、FeNi3,并且随着热压温度的提高,Cu0.8Ni0.19、FeNi3和Ni3Al的峰越强,说明温度越高,越有利于残余原始粉末中的NiAl与NiAl3转化为Ni3Al以及生成新金属间化合物Cu0.8Ni0.19、FeNi3。
  粗粒度的Ni3Al基金刚石工具钻孔时间短,爆边直径小。Ni3Al基金刚石工具加工的硅酸盐玻璃和微晶陶瓷主要是以脆性断裂的方式去除材料。工具中金刚石磨粒的磨损形式可以分为磨耗、微破碎、和宏观破碎三种形式。
  使用添加30vol.%Ni-Cr烧结助剂35/40目的Ni3Al基金刚石工具对微晶陶瓷加工时,钻削过程中切向力Fx、Fy相差不大且比较平稳。纯Ni3Al基金刚石工具轴向力Fz比添加30vol.%Ni-Cr烧结助剂Ni3Al基金刚石工具大。
  使用添加30vol.%Ni-Cr烧结助剂35/40目的Ni3Al基金刚石工具的对微晶陶瓷进行磨削加工时,微晶陶瓷主要以脆性去除为主,加入冷却液后,切向磨削力、法向磨削力以及轴向力有一定程度的降低。磨削过程中切向磨削力Ft和轴向力Fz的比较稳定。
[硕士论文] 耿东森
机械工程 广东工业大学 2017(学位年度)
摘要:本文以面向淬硬钢高速加工刀具涂层为研究背景,首先采用电弧离子镀技术制备出具有高硬度、强韧性以及良好热稳定性的AlCrSiN涂层;其次以AlCrSiN涂层为基础,于涂层中添加O元素从而降低涂层摩擦系数、提高耐磨性并进一步增强高温抗氧化性;最后根据刀具涂层设计理论,结合AlCrSiN高硬度、强韧性和AlCrSiON高温低摩擦的优点构建新型 AlTiN/AlCrSiN/AlCrSiON涂层。本文对 AlCrSiN、AlCrSiON及AlTiN/AlCrSiN/AlCrSiON涂层的微观结构和性能进行了系统的研究,主要研究结论如下:
  1)利用电弧离子镀技术制备AlCrSiN纳米复合涂层,通过基体偏压的变化能够有效控制沉积粒子的能量,进而影响涂层的形核生长。升高基体偏压时涂层表面颗粒尺寸和数量减少;随着偏压的增加涂层的残余应力、硬度、弹性模量和膜-基结合力均出现先增加后减小的趋势,在-100 V时均达到最大值。同时,于-100 V偏压下沉积的AlCrSiN涂层其热稳定性最好。经1100 oC退火后,随着偏压的升高基体与涂层间的扩散越来越严重。此外,600 oC高温摩擦磨损实验结果表明,AlCrSiN涂层其高温摩擦系数较大(1.0~1.2),耐磨性差,这主要是因为涂层氧化磨损造成的。
  2)为降低AlCrSiN涂层的摩擦系数、提高其耐磨性,本文于AlCrSiN涂层中添加O元素制备AlCrSiON涂层,研究涂层成分和结构的变化。涂层沉积时由于基体旋转作用, AlCrSiON涂层中出现周期为8 nm的纳米多层结构(AlCrSi(O)N/AlCrSi(N)O)。当涂层中 O含量增加,涂层的硬度和残余应力下降。O含量从0增至8 at.%时,涂层结合力由64 N增至77 N,继续增加O含量涂层结合力降低。掺入适量氧元素(≤16 at.%)可提高涂层的耐磨性,但过量氧掺杂则会破坏涂层的耐磨性。经800和950℃退火处理后,AlCrSiON涂层仍保持较好的热稳性及力学性能,但1100℃退火处理后涂层相结构发生分解导致组织结构变化,使得涂层硬度降低。
  3)基于 AlCrSiN高硬度、强韧性和 AlCrSiON高热稳定性的优点构筑新型的AlTiN/AlCrSiN/AlCrSiON多层涂层,并研究其结构和性能以及在刀具切削中的应用。添加适量O元素(≤18 at.%)可以提高涂层结合力,同时涂层硬度维持不变。在高速铣削淬硬钢实验中,随着多层涂层中O含量的增加,涂层刀具的切削寿命先升高再下降。当O元素含量为30 at.%时,该多层涂层呈现出最优切削性能,相比于硬质合金刀具及AlCrSiN涂层刀具寿命分别提高了~8倍和5倍。
  综上所述,于-100 V偏压下制备的AlCrSiN涂层具有最佳的力学性能和热稳定性,但AlCrSiN涂层高温摩擦系数较大,且耐磨性差。添加O元素可降低AlCrSiN涂层的高温摩擦系数、提高耐磨性并增强高温抗氧化能力,AlCrSiON涂层其自组装纳米多层结构可以有效降低涂层的残余应力。基于 AlCrSiN高硬度、强韧性和AlCrSiON低摩擦、高热稳定性的优点构筑的AlTiN/AlCrSiN/AlCrSiON涂层呈现出良好的淬硬钢铣削性能。
[硕士论文] 谢阳阳
电子与通信工程 南京信息工程大学 2017(学位年度)
摘要:随着机床在自动化、集成化和无人化方向发展越来越快,如何保证产品的质量和生产效率显得尤为重要。刀具状态识别技术可以在保证产品质量的同时实现刀具的高效利用,因此对刀具状态识别技术进行研究十分重要。
  针对刀具加工特点,本文选择对刀具声发射信号进行监测。声发射信号频率高,能够很好的避开低频噪声干扰。但是由于声发射信号频率高、刀具加工工况不同,因此采集到的信号不仅复杂,而且数据量大。目前用于刀具状态识别的方法大多是先利用信号处理等算法提取信号特征,再利用机器学习等方法实现状态识别。这种特征提取方式往往需要大量的先验知识、丰富的信号处理理论和实际经验作为支撑,并且在特征提取过程中掺杂的人为因素较多,不确定性较强,同时还需要花费大量的时间和精力。
  本文引入了深度学习方法,利用堆叠降噪自编码和卷积神经网络来实现刀具状态识别。
  (1)自编码网络是一种可以将高维数据映射到低维空间的无监督算法,堆叠降噪自编码是多个自编码堆叠而成。本文搭建双隐层堆叠降噪自编码,利用声发射频域信号制作样本用于网络训练、得到特征表达,并利用其有监督的训练分类网络,同时进行全局微调,以实现高精度的刀具状态识别。实验中,本文对堆叠降噪自编码的网络层数、隐含层节点数和学习率等参数进行对比分析,从而寻找到较优的网络模型。
  (2)卷积神经网络是一种包含卷积结构的多层有监督网络。本文利用短时傅里叶变换将一维信号转变成二维时频谱图作为网络输入,构建大量表示不同刀具状态的带标签样本数据,以确保样本的多样性,并将预处理后的样本用于卷积神经网络的训练,从而实现刀具状态识别。实验中,本文对卷积神经网络的学习率、批处理等参数进行了对比分析,从而寻找出较优的网络参数。
  实验结果表明,上述两种方法摆脱了常用智能诊断方法中对大量信号处理技术和实际诊断经验的依赖,能够自适应提取声发射信号特征,并高效智能的实现了刀具状态识别。
[博士论文] 杨琳
机械制造及其自动化 哈尔滨理工大学 2017(学位年度)
摘要:随着高速切削技术和硬切削技术的发展,具有高硬度、高韧性和高耐磨性的淬硬钢模具加工实现了以铣代磨,并以高精度和高效率的优势迅速成为汽车覆盖件模具加工的主要工艺方法。由于汽车覆盖件模具具有结构尺寸大、工作形面复杂、曲率变化频繁、表面质量和加工精度要求高等特点,使模具制造企业对自由曲面模具切削过程的控制及加工精度的保证面临很大的挑战。在自由曲面淬硬钢模具三轴球头铣削过程中,切削力方向多变,工艺系统呈弱刚性,易引起切削过程稳定性下降,加工表面质量和加工精度下降,刀具寿命降低等问题。因此,研究自由曲面淬硬钢模具球头铣削过程的切削力、刀具变形、铣削稳定性、加工误差和补偿,以满足自由形面、高硬度、大尺寸模具的高精度高效率的生产需求,对推动汽车淬硬钢模具制造技术进步,促进高品质自由形面模具加工技术的发展和应用具有重要的现实意义。
  球头铣削自由曲面淬硬钢模具时,曲面曲率特征和加工倾角多变使瞬态切削力处于不稳定状态,多变载荷引起刀具变形和切削稳定性下降,同时,造成自由曲面的加工形貌和加工精度难以达到要求。本文针对自由曲面淬硬钢模具的球头铣削过程中存在的上述问题,进行球头铣刀铣削淬硬钢模具铣削力及模具加工误差研究,主要内容包括:
  针对曲面加工中前倾角、侧偏角、行距方向曲率和进给方向曲率引起铣削力方向和大小变化的问题,首先表征自由曲面曲率特征及加工倾角,根据球头铣刀切削刃几何形状,建立铣削过程中刀齿实际运动轨迹的三维摆线模型;基于三维摆线模型,考虑曲面加工前倾角、侧偏角、行距方向曲率和进给方向曲率,修正未变形切屑厚度模型,研究工件曲率和加工倾角对未变形切屑厚度的影响规律。建立考虑加工倾角和工件曲率的自由曲面瞬态铣削力模型,分析加工倾角和工件曲率对瞬态铣削力的影响规律。提出自由曲面瞬态铣削力预测方法,并进行实验验证,为刀具偏摆分析和动力学建模提供依据。
  基于自由曲面瞬态铣削力变化规律,采用有限元法分析球头刀偏摆,获得切削区部分切削刃变形分布规律;基于刀齿三维摆线运动轨迹,建立考虑切削刃不同位置变形的未变形切屑厚度模型,研究切削刃变形对未变形切屑厚度的影响规律。分析切削刃变形对刀工接触区域的影响规律,建立考虑切削区变形的自由曲面铣削力预测模型,并通过实验验证,为加工误差提供理论依据。
  自由曲面球头铣削的未变形切削厚度沿切削刃不断变化,基于刀齿三维摆线轨迹模型,描述相邻刀齿在三维刀工接触区前后表面形成的一对切屑厚度控制点。分析相邻两个刀齿分别经过刀工接触区前后表面控制点的时滞时间,建立变时滞时间的未变形切屑厚度模型。分析工件曲率及加工倾角对铣削时滞及再生作用下的动态切屑厚度的影响规律,建立自由曲面铣削动力学方程。采用全离散和数值解法相结合办法分析小径向切深的球头铣削变时滞动力学特性,预测自由曲面铣削稳定域,分析加工倾角和曲率半径对铣削稳定域的影响规律。
  自由曲面的加工中通常存在编程误差和加工误差,对球头铣刀铣削淬硬钢模具时的让刀误差、残留高度和插补误差进行分析,揭示自由曲面误差分布特性。通过铣削自由曲面淬硬钢模具让刀误差实验和加工表面形貌实验,分别验证让刀误差及残留高度预测模型。基于不同形面特征误差分布特性,采用过程集成优化方法,对曲面的不同切削区域有针对性的进行补偿。
[硕士论文] 康振兴
机械制造及其自动化 东北电力大学 2017(学位年度)
摘要:随着装备制造业的发展,刀具磨损状态监测技术已成为制约现代自动化机床的一项关键技术,该技术目前尚未得到有效解决。实时地监测刀具状态,可提高零件加工质量和机床的加工效率,减少机床事故的发生,最大限度地减少人对机床的操作,实现机床的智能化和无人化,保证系统在最优参数下运行。因此,刀具磨损状态监测技术的研究是非常迫切且重要的。
  本文针对不同切削条件下刀具磨损状态监测和磨损量预测研究课题,通过正交试验法安排切削试验,在采集的声发射信号的基础上,应用现代信号处理方法小波包分析和最优熵理论相结合实现信号的滤波处理,提出了基于云模型理论和最小二乘支持向量机的刀具磨损状态识别方法,最后应用不确定性云推理方法实现磨损量的不确定性预测。主要研究内容由以下几个部分构成:
  以往的刀具磨损监测信号滤波采用时域分析(经验模态分解)、频域分析(功率谱分析)等传统的信号预处理方法。由于所采用的声发射信号的非平稳和非线性特点,本文将适合处理非平稳信号处理的小波包分析方法引入到信号预处理中,实现信号的滤波。首先通过频谱分析得到不同磨损阶段声发射信号的频带分布范围,作为小波包分解层次的定性参考;其次应用信息熵理论中的Shannon熵表征噪声的大小,确定小波包分解最佳树;最后通过最佳树统计分析确定小波包分解的最优分枝,并通过阈值处理后进行信号重构,信噪比可达35dB以上。
  提出了基于云理论的不确定性声发射信号特征提取方法。首先通过改进的逆向云算法提取不同磨损量声发射信号的特征参数,期望、熵和超熵;其次,定量分析刀具在不同切削条件下三种云特征参数随磨损量增大所呈现的变化趋势和规律;最后,通过散点图验证三种特征参数表征刀具磨损声发射信号的有效性。
  提出了将云特征参数与最小二乘支持向量机相结合的刀具磨损状态识别方法。针对神经网络学习算法收敛速度慢、易陷入局部极值以及对特征要求较高等问题,提出基于云理论与最小二乘支持向量机结合刀具磨损状态识别方法。实例分析表明,在优化选取支持向量机参数的条件下,云-支持向量机结合的方法比传统神经网络识别方法的识别率更高。
  将不确定性云推理模型应用到刀具磨损量预测领域。首先,通过条件云发生器挖掘不同磨损阶段磨损趋势与该阶段云特征参数数据之间的关系;其次,在此基础上构建云预测规则;最后,建立了多条件单规则不确定性磨损量预测方法。实例分析结果显示,云推理磨损量预测结果符合刀具磨损规律;对非确定模型进行预测,云推理比模糊推理更接近实际情况。此外,该方法能可推广到不同工况条件下的磨损量预测,具有较强的实用性。
[硕士论文] 王超超
机械工程 广东工业大学 2017(学位年度)
摘要:陶瓷结合剂精密金刚石砂轮具有磨削效率高、磨削力小、自锐性强、易修整、等特点。它广泛应用于脆硬材料的精密磨削。陶瓷结合剂金刚石砂轮的孔隙率对砂轮的性能影响很大,传统造孔剂造出的气孔孔径和孔隙率可控性差。本课题提出了一种基于空心Al2O3微球造孔剂的陶瓷结合剂精密金刚石砂轮的研究。
  首先采用超声搅拌方法对金刚石微粉进行分散,然后通过高能球磨机对陶瓷结合剂进行球磨细化,并且研究了结合剂的质量分数、烧制工艺、辅助磨料和空心Al2O3微球的质量分数和粒径等对陶瓷结合剂精密金刚石砂轮性能的影响。采用正交试验法优化砂轮制备工艺的参数,用于制备陶瓷结合剂精密金刚石砂轮,并研究了砂轮的修整工艺,对磨削性能做了初步的检测,得到以下主要结论:
  超声搅拌时间从0min增加到7min,团聚的金刚石微粉的粒径逐渐减小,在7min时,金刚石中位粒径(d50)为0.97μm;球磨时间从0h增加到48h,陶瓷结合剂的中位粒径(d50)从14.63μm减小到1.01μm。结合剂质量分数从21wt%增加到36wt%时,砂轮试样的总气孔率先减小,在36wt%取到极小值30 vol%,后结合剂增加,总气孔率升高;抗弯强度和硬度则先升高,在36wt%取到极大值:分别为61.6MPa和102.8HRF,后结合剂增加抗弯强度和硬度降低。烧结温度对砂轮试样的总气孔率影响不大。烧结温度由610℃升高到730℃时,砂轮试样的抗弯强度和硬度先增加,在670℃取到极大值69.3MPa和96,后温度再升高,抗弯强度和硬度下降。烧结时间从0h增加到2.5h,砂轮试样的总气孔率逐渐升高,在2.5h时达到极大值45.5 vol%;抗弯强度和硬度则是先增加,在1h时达到最大值:分别为69.8MPa和98,烧结时间继续增加,抗弯强度和硬度下降。碳化硅辅助磨料的粒度对砂轮试样的抗弯强度和硬度影响不大。碳化硅辅助磨料质量分数从12wt%增加到60wt%,砂轮试样的抗弯强度和硬度先上升后下降,在36wt%取到极大值:分别为79.8MPa和96.4。
  砂轮试样的总气孔率随着空心Al2O3微球含量的增加而上升,与空心Al2O3微球粒径无关。当空心Al2O3微球的质量分数从3wt%增加到12wt%时,含平均粒径粒径为0.2mm、0.4mm、0.6mm的空心Al2O3微球的砂轮试样的总气孔率均升高,在12wt%出现最大值;抗弯强度和硬度则出现最小值。空心Al2O3微球粒径越大,砂轮试样的抗弯强度和硬度越大,总气孔率越低。
  对陶瓷结合剂精密金刚石砂轮制备工艺进一步改进和优化,制备出空心Al2O3微球造孔剂的陶瓷结合剂精密金刚石(w1)砂轮,并用于石英玻璃的磨削加工。磨削前后石英玻璃的表面粗糙度分别为0.5113μm,0.0206μm。磨削结果表明,本研究所设计的陶瓷结合剂精密金刚石砂轮可对石英玻璃实现有效的加工。
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