吉林長(zhǎng)春理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院　王垠力　張東梅

新型固結(jié)磨料磨具的優(yōu)化設(shè)計(jì)

吉林長(zhǎng)春理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院王垠力張東梅

現(xiàn)如今，固結(jié)磨料平面研磨技術(shù)已日趨成熟且應(yīng)用廣泛，為了得到更好的研磨加工質(zhì)量和更高的研磨效率，本文在固結(jié)磨料磨具的基礎(chǔ)上提出了新型固結(jié)磨料磨具的構(gòu)型，基于磨具均勻磨損的理論基礎(chǔ)對(duì)新型磨具結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步優(yōu)化，并結(jié)合計(jì)算機(jī)優(yōu)化軟件對(duì)磨具的具體尺寸排布進(jìn)行了二次優(yōu)化，設(shè)計(jì)并制作出了新型固結(jié)磨料磨具。

新型固結(jié)磨料磨具；磨具結(jié)構(gòu)；優(yōu)化

1引言

迄今為止，人們?cè)诠探Y(jié)磨料的平面高速研磨這門技術(shù)上所取得的成績(jī)已相當(dāng)卓越，但磨具的優(yōu)化制作仍是影響其加工效率、加工精度以及制約其廣泛應(yīng)用的瓶頸問(wèn)題。因此，本文在此基礎(chǔ)上提出了固結(jié)磨料磨具的平面高效研磨技術(shù)，即把影響工件研磨質(zhì)量的磨具磨料材料、形狀、結(jié)合方式及排布規(guī)律進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)設(shè)計(jì)制作新型磨具來(lái)提高研磨加工的效率和提高已加工工件的表面質(zhì)量。

2磨具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于現(xiàn)有磨具的設(shè)計(jì)思路，同時(shí)為進(jìn)一步提高磨具的研磨加工效率，擬將新型固結(jié)磨料磨具的研磨加工單元形狀定為扇形，稱為基塊，由此增加磨具中參與研磨部分的面積，從而提高加工效率。如圖2.1所示。

圖2　.1磨具結(jié)構(gòu)示意圖

圖2　.2磨具與工件接觸運(yùn)動(dòng)示意圖

由于溝槽形成的基塊排布規(guī)律是影響工件加工的關(guān)鍵因素，所以下面將對(duì)磨盤的參數(shù)及結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.1基于磨具均勻磨損理論的磨盤參數(shù)設(shè)計(jì)

我們將以磨具各個(gè)部分去除量一致為目的進(jìn)行理論分析并設(shè)計(jì)基塊的各個(gè)參數(shù)。目前能夠表達(dá)出各個(gè)因素影響材料去除量的關(guān)系的通用數(shù)學(xué)表達(dá)式為Preston方程，其表達(dá)式為：Δz=t， 其中為磨削去除量為磨粒在近壁區(qū)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，為磨粒在近壁區(qū)的相對(duì)壓強(qiáng)。

在新型固結(jié)磨料磨具設(shè)計(jì)中壓強(qiáng)可應(yīng)用環(huán)帶模型經(jīng)典分析方法進(jìn)行分析，如圖2.2，新型固結(jié)磨料磨具的設(shè)想模型中為：Si=α，其中ra、rb分別為扇環(huán)的內(nèi)徑和外徑，α為扇環(huán)的角度。我們將Si帶入c和p0中，即可以得出磨具上任意一點(diǎn)A與工件之間的接觸壓強(qiáng)p。

此時(shí)，根據(jù)Preston公式，如圖2.2所示，磨具上任意一點(diǎn)與工件的相對(duì)速度v以及磨具與工件之間的接觸壓強(qiáng)p分別為：

可以看出，K是與諸多參數(shù)相關(guān)的。本文擬采用單因素試驗(yàn)法分析在Δr與α取何值時(shí)K值最穩(wěn)定，以此來(lái)設(shè)計(jì)新型固結(jié)磨料磨盤的扇形基塊排布規(guī)律。

圖2　.3 K-R曲線隨變化關(guān)系圖

e=80mm，ω1=120rpm，α=

2.4 K-R曲線隨變化關(guān)系e=80mm，ω1=120rpm，Δr=30mm

分析圖2.3及2.4，可以得出結(jié)論：每個(gè)扇形基塊的中心角在π/6左右，扇形基塊的內(nèi)外徑之差在30mm左右時(shí)去除量趨于均勻。則根據(jù)此結(jié)論π/6，將每個(gè)基塊扇形中心角為，兩道環(huán)形溝槽分割成三個(gè)基塊，三道環(huán)形溝槽分割成四個(gè)基塊，其內(nèi)外徑之差暫定為30mm、20mm。

3新型固結(jié)磨料磨具的計(jì)算機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1對(duì)磨具與工件進(jìn)行靜力學(xué)分析

如圖3.1所示，首先在Solid Works中建立磨盤和工件的三維模型。

圖3　.1磨具與工件模型

設(shè)置磨盤直徑250mm，基塊區(qū)域內(nèi)徑32mm，外徑120mm，中間溝槽寬度預(yù)設(shè)為5mm。工件直徑120mm，厚度10mm。偏心距80mm。對(duì)工件施加垂直向下的均布力100N；設(shè)置接觸對(duì)，摩擦因數(shù)0.3；利用加強(qiáng)拉格朗日方程求解，設(shè)置接觸強(qiáng)度2。最后做后處理。設(shè)置輸出結(jié)果為接觸區(qū)域的基塊邊緣等效應(yīng)力。利用接觸工具，將接觸面的摩擦力提取出來(lái)。

3.2進(jìn)行多目標(biāo)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化

圖3　.2輸入?yún)?shù)分組統(tǒng)計(jì)

圖3　.3最佳優(yōu)化備選參數(shù)

圖 3.4磨具尺寸示意圖

圖3　.5磨具結(jié)構(gòu)模型示意圖此

首先設(shè)置相關(guān)參數(shù)，建立多目標(biāo)驅(qū)動(dòng)分析流程。對(duì)輸入?yún)?shù)分組更新，如圖3.3所示。進(jìn)入最終優(yōu)化選項(xiàng)，對(duì)輸出值進(jìn)行目標(biāo)設(shè)定，如圖3.3所示。時(shí)，新型固結(jié)磨料磨盤的基塊排列結(jié)構(gòu)及尺寸已優(yōu)化完畢，最終的尺寸如圖3.4所示，將優(yōu)化后的參數(shù)代入模型中，更新模型后，所得磨具平面示意圖（圖3.5）。

4總結(jié)

本文先對(duì)目前固著磨料磨具進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析，在此基礎(chǔ)上提出了優(yōu)化設(shè)計(jì)后新型固結(jié)磨料磨具的初步結(jié)構(gòu)構(gòu)型。基于磨具的均勻磨損理論并結(jié)合Preston方程，推導(dǎo)出影響新型磨具設(shè)計(jì)的幾個(gè)重要參數(shù)的表達(dá)式，將其用origin圖形直觀表達(dá)進(jìn)而優(yōu)選參數(shù)取值，初步確定了新型磨具的結(jié)構(gòu)。利用Workbench design exploration軟件用多目標(biāo)優(yōu)化驅(qū)動(dòng)法對(duì)磨具中基塊以及溝槽的排布進(jìn)行最終優(yōu)化，并得出了最終的新型固結(jié)磨料磨具的設(shè)計(jì)方案。

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