超声振动辅助磨削微织构减摩表面创成机理及工艺基础研究

Microtexture formation on the working surface of friction pair can obviously improve tribological properties of surface. Existing surface texture processing technologies have limitations such as non-environmental friendly, complex process, high cost, etc., which thus causes a limitation to the engineering application of surface texture processing technology. This project is intended to propose an integrated processing technology that could directly form microtexture on the workpiece surface, using ultrasonic vibration-assisted grinding method, on the basis of deeply studying the coupling rule of three motions of grinding wheel rotational motion, feed motion and ultrasonic motion, as well as the overlaying rule of cutting tracks of abrasive grains group. Through deeply studying the coupling rule of motion of abrasive grains, to establish the mathematic description of complex spatial motion track of single abrasive grain, and to reveal cutting characteristics of abrasive grains under this condition; through comprehensively considering grinding wheel's surface topographies and process parameters, and based on the overlaying rule of cutting motion track of abrasive grain group, to reveal the formation mechanism of surface texture; through analyzing the influence of process parameters on tribological properties of surface texture, to establish an method of evaluating distribution characteristics of surface texture, and to suggest process-optimization strategies. This research will provide theoretical basis for surface texture processing with low cost and high quality and efficiency, and will strongly promote enrichment and development of surface texture processing technology, thus has great theoretical significance, practical economic value and broad application prospect.

在摩擦副工作表面加工形成微织构，可明显改善表面的摩擦学性能，现有表面织构加工技术存在环境不友好、工艺复杂、成本高等局限性，从而限制了表面织构加工工艺的工程化应用。本项目拟采用超声振动辅助磨削的方法，在深入研究砂轮旋转运动、进给运动、超声振动三种运动的耦合规律，以及磨粒群切削轨迹叠加规律的基础上，提出一种可在工件表面上直接形成微织构的集成加工工艺。通过深入研究磨粒运动耦合规律，建立单颗磨粒复杂空间运动轨迹的数学描述，揭示该条件下磨粒的切削特征；综合考虑砂轮形貌和工艺参数，基于磨粒群切削运动轨迹的叠加规律，揭示表面织构的创成机理；分析工艺参数对表面织构摩擦学性能的影响因素，建立表面织构分布特征的评价方法，并给出加工工艺的优化策略。本研究为实现表面织构的低成本、高质高效的加工提供了理论依据，将有力推进表面织构加工技术的丰富和发展，因此具有较大的理论意义、实际的经济价值和广阔的应用前景。

表面织构可明显改善表面的摩擦学性能，本项目采用超声振动辅助磨削加工工艺，使砂轮表面磨粒在砂轮旋转运动的带动下，在高频振动的工件表面上，快速高效地加工出表面织构。本项目的主要研究内容如下：.（1）综合考虑磨削参数和振动参数，建立了超声振动辅助单颗磨粒复合运动轨迹的数学模型，计算了单颗磨粒运动轨迹任意点的坐标以及磨粒运动轨迹的长度。分析了振动参数对磨粒运动轨迹长度的影响。建立了单颗磨粒切削过程的数学模型，分析了工艺参数对切痕形貌的影响规律。研究了砂轮修整工艺对磨粒形状的影响，建立了修整磨粒的二维模型和三维模型。.（2）研究了相邻磨粒切削痕迹的叠加效应，定义了描述切痕形状的独立参数，研究了工艺参数对叠加效应的影响规律。通过大量磨粒连续切削的计算，得到了磨削表面织构微观形貌的仿真结果。建立了超声振动辅助磨削表面织构创成机理的理论模型。通过与实验结果进行对比，验证了本项目理论模型的正确性。分析了工艺参数对表面织构形貌特征的影响规律。.（3）设计和搭建了超声振动发生装置，对变幅杆和工具头进行了模态分析和谐响应分析。利用高精度激光位移传感器对超声振幅进行了检测，验证了仿真分析的结果。设计和搭建了超声振动辅助磨削实验台，开展了磨削实验并对工件表面形貌进行了观察。实验结果验证了本项目理论模型的多项分析结果。.（4）建立了表面织构的特征参数，揭示了工艺参数对微平台数量、密度、标准差以及粗糙度的影响规律，并进一步分析了工艺参数对表面织构摩擦学特性的影响规律。.本项目对超声振动辅助磨削加工表面织构的创成机理进行了深入的研究，建立了表面织构创成机理的数学模型，建立了表面织构形貌的评价指标，揭示了工艺参数对表面织构形貌特征的影响规律，建立了完备的加工工艺基础理论体系，并通过实验验证了理论研究的正确性。研究结论对利用该工艺快速高效地加工表面织构以及对表面织构形貌特征的控制具有重要意义。