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弹性磨具曲面磨抛多目标工艺参数优化研究

张凤勇 吴晓君 舒骁 张露 杨洋

张凤勇, 吴晓君, 舒骁, 张露, 杨洋. 弹性磨具曲面磨抛多目标工艺参数优化研究[J]. 机械科学与技术, 2019, 38(11): 1702-1711. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190047
引用本文: 张凤勇, 吴晓君, 舒骁, 张露, 杨洋. 弹性磨具曲面磨抛多目标工艺参数优化研究[J]. 机械科学与技术, 2019, 38(11): 1702-1711. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190047
Zhang Fengyong, Wu Xiaojun, Shu Xiao, Zhang Lu, Yang Yang. Study on Multi-objective Optimization of Processing Parameters in Curved Surface Grinding and Polishing of Elastic Abrasive[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2019, 38(11): 1702-1711. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190047
Citation: Zhang Fengyong, Wu Xiaojun, Shu Xiao, Zhang Lu, Yang Yang. Study on Multi-objective Optimization of Processing Parameters in Curved Surface Grinding and Polishing of Elastic Abrasive[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2019, 38(11): 1702-1711. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190047

弹性磨具曲面磨抛多目标工艺参数优化研究

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190047
基金项目: 

国家自然科学基金项目 51375361

国家自然科学基金项目 51475353

详细信息
    作者简介:

    张凤勇(1992-), 硕士研究生, 研究方向为机械设计及理论, zhangfy12@126.com

    通讯作者:

    吴晓君, 教授, 博士, wuxiaojun@xauat.edu.cn

  • 中图分类号: TG580

Study on Multi-objective Optimization of Processing Parameters in Curved Surface Grinding and Polishing of Elastic Abrasive

  • 摘要: 硬质合金曲面工件磨抛加工时,影响因素较多且存在耦合,磨抛效率低且质量不稳定。为在工件表面实现高效磨抛,同时降低磨具磨损,以M300钢为研究对象,通过分析其与弹性磨具的接触区域特征来建立曲面磨抛的材料去除函数模型,并通过实验验证模型的可靠性。通过单因素实验方法研究磨具的转速、切入深度、进给速度、粒度工艺参数对材料去除率、磨具磨损和工件表面粗糙度的影响规律。利用正交实验和灵敏度分析法确定各个评价目标的优化参数组合和多目标的优化参数区间。实验结果表明,利用该优化参数区间,工件表面质量有所改善,磨具磨损有所减轻。
  • 图  1  单颗磨粒与工件表面残留峰接触情况示意图

    图  2  弹性磨具磨抛材料去除过程模型示意图

    图  3  弹性磨具与工件接触区域示意图

    图  4  去除函数三维仿真

    图  5  接触区半径随磨抛工艺参数变化情况

    图  6  不同磨抛工艺参数下的接触区域

    图  7  材料去除廓形对比

    图  8  加工时间对材料去除率的影响

    图  9  磨具转速对材料去除率的影响

    图  10  进给速度对材料去除率的影响

    图  11  磨具切入深度对材料去除率的影响

    图  12  磨抛加工后的弹性磨具表面形貌

    图  13  磨具转速对磨具磨损的影响

    图  14  磨具切入深度对磨具磨损的影响

    图  15  工件磨抛后的表面形貌

    图  16  磨具转速对Ra的影响

    图  17  磨具切入深度对Ra影响

    图  18  表面粗糙度对磨抛工艺参数灵敏度

    图  19  材料去除率对磨抛工艺参数灵敏度

    图  20  优化区间参数组合磨抛后工件表面形貌

    表  1  磨抛参数选用

    名称 内容
    弹性磨具 结合剂:硅橡胶, R1=10 mm, H1=45~95 kg/mm2
    磨粒 材料:碳化硅, 粒度S:320#, E1=4.06×105 MPa, Ht=3 000 kg/mm2
    试件 M300钢圆柱件, R2=20 mm, E2=2.06×105 MPa, H2=60 kg/mm2
    其它 Wt=Vs/R1=3 000~9 000 r/min, Vf=1 mm/min, ap=0.1~0.5 mm
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    表  2  磨抛实验参数

    参数名称 参数数值
    磨粒粒度S 320#、600#、1 000#
    加工时间T 60~360 s
    磨具转速wt 1 500~12 000 r/min
    进给速度vf 0.5~4 mm/min
    切入深度ap 0.1~0.5 mm
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    表  3  正交实验表

    加工参数 水平
    1 2 3
    磨具粒度S 320# 600# 1 000#
    磨具转速wt/(r·min-1) 4 500 6 000 7 500
    切入深度ap/mm 0.1 0.2 0.4
    进给速度vf/(mm·min-1) 0.5 1 2
    单位加工时间T/s 180 - -
    加工循环次数 3 - -
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    表  4  实验结果表

    No 加工参数 实验数据
    S wt ap vf MRR/(mm3·min-1) Zw Ra/μm
    1 1 1 1 1 0.063 0.1 0.086
    2 2 2 3 1 0.278 0.08 0.116
    3 3 3 2 1 0.291 0.13 0.162
    4 2 3 1 2 0.177 0.12 0.089
    5 1 2 2 2 0.949 0.39 0.134
    6 3 1 3 2 0.189 0.37 0.078
    7 3 2 1 3 0.139 0.08 0.132
    8 2 1 2 3 0.266 0.11 0.104
    9 1 3 3 3 2.152 0.52 0.105
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    表  5  各参数水平对材料去除率的信噪比(SNR)

    加工参数 S wt ap vf
    水平 1 8.333 1.367 1.000 1.667
    2 1.900 3.600 3.967 3.467
    3 6.700 5.533 5.900 5.067
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    表  6  各参数水平对磨耗比的信噪比(SNR)

    加工参数 S wt ap vf
    水平 1 -11.34 -15.94 -20.37 -20.27
    2 -20.48 -17.74 -15.02 -11.99
    3 -16.1 -14.25 -12.53 -15.65
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    表  7  各参数水平对表面粗糙度的信噪比(SNR)

    加工参数 S wt ap vf
    水平 1 19.448 0 21.802 1 19.981 1 18.635 3
    2 19.851 9 17.922 3 17.642 3 21.001 7
    3 19.256 5 18.832 1 20.933 1 18.919 5
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    表  8  磨抛工艺参数优化区间

    磨抛工艺参数 优化区间 稳定性 表面粗糙度变化趋势
    S [300,600] 非稳定 0.102~0.108
    wt/(r·min-1) [4 500, 7 500] 稳定 0.083~0.118
    ap/mm [0.1, 0.3] 非稳定 0.093~0.102
    vf/(mm·min-1) [0.5, 2] 非稳定 0.094~0.121
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    表  9  参数区间优化实验结果

    参数组合 加工参数 实验数据
    S wt/(r·min-1) ap/mm vf/(mm·min-1) MRR/(mm3·min-1) Zw Ra/μm
    min Ra 600# 4 500 0.4 1 0.127 0.12 0.073
    min Zw 600# 6 000 0.1 0.5 0.136 0.44 0.115
    优化区间 320# 4 500 0.3 1 0.760 0.28 0.063
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  • 收稿日期:  2018-11-28
  • 刊出日期:  2019-11-05

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