新型固結磨料磨具的優化設計

吉林長春理工大學機電工程學院　王垠力　張東梅

新型固結磨料磨具的優化設計

吉林長春理工大學機電工程學院王垠力張東梅

現如今，固結磨料平面研磨技術已日趨成熟且應用廣泛，為了得到更好的研磨加工質量和更高的研磨效率，本文在固結磨料磨具的基礎上提出了新型固結磨料磨具的構型，基于磨具均勻磨損的理論基礎對新型磨具結構進行了初步優化，并結合計算機優化軟件對磨具的具體尺寸排布進行了二次優化，設計并制作出了新型固結磨料磨具。

新型固結磨料磨具；磨具結構；優化

1引言

迄今為止，人們在固結磨料的平面高速研磨這門技術上所取得的成績已相當卓越，但磨具的優化制作仍是影響其加工效率、加工精度以及制約其廣泛應用的瓶頸問題。因此，本文在此基礎上提出了固結磨料磨具的平面高效研磨技術，即把影響工件研磨質量的磨具磨料材料、形狀、結合方式及排布規律進行優化，通過設計制作新型磨具來提高研磨加工的效率和提高已加工工件的表面質量。

2磨具結構設計

基于現有磨具的設計思路，同時為進一步提高磨具的研磨加工效率，擬將新型固結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磨具結構示意圖

圖2　.2磨具與工件接觸運動示意圖

由于溝槽形成的基塊排布規律是影響工件加工的關鍵因素，所以下面將對磨盤的參數及結構進行優化設計。

2.1基于磨具均勻磨損理論的磨盤參數設計

我們將以磨具各個部分去除量一致為目的進行理論分析并設計基塊的各個參數。目前能夠表達出各個因素影響材料去除量的關系的通用數學表達式為Preston方程，其表達式為：Δz=t， 其中為磨削去除量為磨粒在近壁區的相對運動速度，為磨粒在近壁區的相對壓強。

在新型固結磨料磨具設計中壓強可應用環帶模型經典分析方法進行分析，如圖2.2，新型固結磨料磨具的設想模型中為：Si=α，其中ra、rb分別為扇環的內徑和外徑，α為扇環的角度。我們將Si帶入c和p0中，即可以得出磨具上任意一點A與工件之間的接觸壓強p。

此時，根據Preston公式，如圖2.2所示，磨具上任意一點與工件的相對速度v以及磨具與工件之間的接觸壓強p分別為：

可以看出，K是與諸多參數相關的。本文擬采用單因素試驗法分析在Δr與α取何值時K值最穩定，以此來設計新型固結磨料磨盤的扇形基塊排布規律。

圖2　.3 K-R曲線隨變化關系圖

e=80mm，ω1=120rpm，α=

2.4 K-R曲線隨變化關系e=80mm，ω1=120rpm，Δr=30mm

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

3新型固結磨料磨具的計算機優化設計

3.1對磨具與工件進行靜力學分析

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

設置磨盤直徑250mm，基塊區域內徑32mm，外徑120mm，中間溝槽寬度預設為5mm。工件直徑120mm，厚度10mm。偏心距80mm。對工件施加垂直向下的均布力100N；設置接觸對，摩擦因數0.3；利用加強拉格朗日方程求解，設置接觸強度2。最后做后處理。設置輸出結果為接觸區域的基塊邊緣等效應力。利用接觸工具，將接觸面的摩擦力提取出來。

3.2進行多目標驅動優化

圖3　.2輸入參數分組統計

圖3　.3最佳優化備選參數

圖 3.4磨具尺寸示意圖

圖3　.5磨具結構模型示意圖此

首先設置相關參數，建立多目標驅動分析流程。對輸入參數分組更新，如圖3.3所示。進入最終優化選項，對輸出值進行目標設定，如圖3.3所示。時，新型固結磨料磨盤的基塊排列結構及尺寸已優化完畢，最終的尺寸如圖3.4所示，將優化后的參數代入模型中，更新模型后，所得磨具平面示意圖（圖3.5）。

4總結

本文先對目前固著磨料磨具進行了結構分析，在此基礎上提出了優化設計后新型固結磨料磨具的初步結構構型?；谀ゾ叩木鶆蚰p理論并結合Preston方程，推導出影響新型磨具設計的幾個重要參數的表達式，將其用origin圖形直觀表達進而優選參數取值，初步確定了新型磨具的結構。利用Workbench design exploration軟件用多目標優化驅動法對磨具中基塊以及溝槽的排布進行最終優化，并得出了最終的新型固結磨料磨具的設計方案。

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