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軟固結(jié)磨粒氣壓白剛玉設(shè)計方法及材料去除特性研究
激光強化技術(shù)可大幅提高白剛玉模具表面的硬度、耐磨性和耐腐蝕性，改善模具使用性能和提升使用壽命，但是另一方面，其高硬度自由曲面面形的復(fù)雜性、局域強化帶來的硬度差異卻制約了后續(xù)表面精密加工的開展。鑒于模具表面激光強化處理具有良好的應(yīng)用前景，解決其光整加工的技術(shù)難題對于激發(fā)強化技術(shù)在模具領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實意義。
針對上述問題，提出了一種基于軟固結(jié)磨粒氣壓白剛玉的光整方法。為了提升高壓環(huán)境下白剛玉橡膠基體的抗撕裂特性，提出采用添加短纖維增強白剛玉基體的方法，給出了復(fù)合材料模量與強度預(yù)測模型；對氣壓白剛玉的力學特性進行了分析，并通過仿真進行了驗證；采用離散元分析方法對軟固結(jié)形態(tài)下的磨粒動態(tài)特性進行了研究；最后對軟固結(jié)磨粒氣壓白剛玉的材料去除特性進行了分析，并通過試驗進行了驗證。
針對復(fù)合材料中纖維的無序分布特性，多維網(wǎng)狀分布模型，提出采用取向因子對其纖維分布特性進行整體歸一化，對Halpin-Tsai方程進行了修正，并復(fù)合材料的模量預(yù)測模型和強度預(yù)測模型，實現(xiàn)了芳綸漿粕纖維對丁苯橡膠的增強，制備了不同纖維體積分數(shù)和不同尺寸的氣壓白剛玉半球形增強橡膠基體。通過拉伸試驗對上述理論模型進行了驗證，得出通過增加纖維所占體積分數(shù)或使用低模量的橡膠基質(zhì)，纖維在橡膠基體中的性能越接近單一性，預(yù)測模型將更加準確。上述問題的討論將為氣壓白剛玉后續(xù)各項性能分析奠定基礎(chǔ)。氣壓白剛玉橡膠基體接觸力學模型，對接觸過程進行了數(shù)值模擬，得出結(jié)論：氣壓白剛玉表面接觸應(yīng)力隨著纖維體積分數(shù)的增加而增加，同樣也隨著原橡膠基體彈性模量的增加而增加，但白剛玉接觸應(yīng)變卻隨之減少：結(jié)合層間彈性力學體系理論，分析了氣壓白剛玉動態(tài)變化下的載荷作用規(guī)律，氣壓白剛玉雙層彈性力學模型；分別以復(fù)合橡膠層厚度和磨粒粘結(jié)層厚度為研究對象進行了仿真，發(fā)現(xiàn)低橡膠層厚度有利于提升氣壓白剛玉的自銳性，適合于大曲率表面加工；高橡膠層厚度則有利于提升白剛玉接觸應(yīng)力，提高光整效率。以上論述分析了氣壓白剛玉基體的力學特性，并為后續(xù)氣壓白剛玉的制備工藝參數(shù)提供了依據(jù)。
采用離散元分析方法，軟固結(jié)磨粒顆粒間的法向與切向接觸模型，分析了磨粒群的蠕變效應(yīng)，給出了顆粒微觀平動與轉(zhuǎn)動位移公式：通過對密集顆粒系統(tǒng)的數(shù)值模擬，闡述了蠕變現(xiàn)象的發(fā)生過程，并分析了軟固結(jié)磨粒群和游離磨粒群的接觸力網(wǎng)，證實了前者產(chǎn)生的表面接觸應(yīng)力將顯著大于后者的接觸應(yīng)力；闡述了軟固結(jié)磨粒群氣壓白剛玉的低壓接觸成型制作工藝流程和評價標準，給出了可用于不同加工環(huán)境下的磨粒與粘結(jié)劑具體配比方案。
上述分析描述了軟固結(jié)磨粒群的微觀作用機理，為后續(xù)氣壓白剛玉最終材料去除模型的建立提供了依據(jù)。氣壓白剛玉表層單顆磨粒的力學模型，得出磨粒群微觀作用機理與氣壓白剛玉材料去除特性之間的聯(lián)系。結(jié)合拉賓諾維奇磨損原理，對Preston方程系數(shù)進行修正，并對磨粒群在柔性支撐環(huán)境下的應(yīng)力計算進行修正，給出了表層磨粒群在動態(tài)變化下的速度計算公式，最終適用于軟固結(jié)磨粒氣壓白剛玉的材料去除預(yù)估模型，并通過試驗進行了驗證，得出軟固結(jié)磨粒較游離磨粒有著更高的材料去除能力，而較固著磨粒群則可避免曲面加工時過深的劃痕。
