磨粒叶序排布端面砂轮磨削纹理表面研究.pdf

2023 年 第 3 期（总 213 期）CFHI一重技术与光滑表面相比，结构化表面能有效减小接触表面的摩擦力，降低在流体中的拖曳阻力13。为了获得理想的结构化表面，研究者们采取压印、化学刻蚀、激光、机械加工方法，但上述方法面对难加工材料或批量生产零件时，效率低，成本高，还会造成污染。而磨削法具有独特的优势4。Stepien Piotr 率先提出使用修整砂轮在工件表面再现砂轮结构化排布理论，以较低成本得到相对较高生产效率57；Oliveria J C，Bottene O89等学者使用修整出的具有不同图案的结构化砂轮磨削出理想的减阻表面；Kim H10等建立砂轮表面几何模型，开发出带有用户界面的计算机仿真程序，实现基于砂轮表面形貌参数与修整器运动参数的结构化表面形貌的预测。端面叶序砂轮在磨削工件表面时具有一定的优势，但针对端面叶序排布磨粒砂轮的磨削纹理表面机理的研究较少。因此，本文对叶序排布磨粒端面砂轮磨削纹理表面时的运动参数、排布参数，以及砂轮位置等对表面纹理的影响进行研究。1建立端面砂轮运动方程1.1端面砂轮磨粒叶序排布方程的建立对于叶序排布形式的端面砂轮，磨粒在砂轮端面（见图 1）依据 Vogel H.11的端面叶序排布表达式，其极坐标位置方程为：磨粒叶序排布端面砂轮磨削纹理表面研究张达1，吕玉山2，李兴山2摘要：为了磨削出结构化网纹表面，设计磨粒叶序排布端面砂轮并建立起磨粒运动学方程，通过计算机仿真获得磨削纹理的表面形貌，探讨叶序砂轮磨粒排布参数、磨削参数等对表面纹理形貌的影响规律。结果表明，砂轮相对工件的位置会影响表面形貌，砂轮两侧磨削生成的表面网纹相对均匀，增大砂轮转速，减小砂轮叶序系数可以使网纹的平台表面更加均匀。关键词：磨削；纹理表面；端面砂轮；叶序排布中图分类号：TG74+3文献标识码：B文章编号：1673-3355（2023）03-0010-04Research on Grinding Texture of End Surface Grinding Wheel with Phyllotaxy ArrangedAbrasive GrainsZhang Da,Lyu Yushan,Li XingshanAbstract:In order to obtain textured grinding surface,the grinding wheel with phyllotaxy arranged abrasive grain is designedand the kinematic equation of the abrasive grain is established.The surface morphology of the grinding texture is obtainedthrough computer simulation,and effect of the parameters of the arrangement of the phyllotaxy abrasive grain of the grindingwheel and the grinding parameters are discussed.The results show that the relative position of the grinding wheel and theworkpiece can affect the surface topography.The surface texture formed by grinding on both sides of the wheel is relativelyuniform.Increasing the speed and reducing the phyllotaxy coefficient of the grinding wheel can provide a more uniformsurface on the textured platform.Key words:Grinding；textured surface；end surface grinding wheel；phyllotaxy arrangement10.3969/j.issn.1673-3355.2023.03.0101.沈阳理工大学机械工程学院硕士研究生，辽宁沈阳1101592.沈阳理工大学机械工程学院教授，辽宁沈阳110159基金项目：国家自然科学基金项目“结构化减阻功能表面的拓扑磨削机制与关键技术基础”（项目编号：51875368）34CFHI2023 年 第 3 期（总 213 期）CFHI TECHNOLOGY图 3仿真流程图图 1磨粒叶序排布示意图兹i=2仔琢360iri=ki姨)扇墒设设设设设缮设设设设设(1)式中：k叶序生长系数；i磨粒序数；兹第 i 个磨粒的极坐标角度；琢叶序发散角是第 i个磨粒与第 i+1 个磨粒之间的夹角，取叶序发散角为 琢=137.508毅。1.2建立磨粒运动方程笔者以砂轮中心为原点建立砂轮坐标系 O1-X1Y1Z1和工件坐标系 O2-X2Y2Z2，当端面砂轮磨削工件时，砂轮绕砂轮轴线 Z1以转速 ns做旋转运动，砂轮与工件在 X1轴方向上以 vw做相对进给运动（见图 2），得到端面砂轮的运动方程x=rcosns仔t30+50vwt3y=rsinns仔t30扇墒设设设设设设缮设设设设设设(2)将磨粒排布方程带入式（2），得到叶序排布磨粒砂轮磨粒的运动方程：xi=ki姨cosns仔t30+2仔琢360i蓸蔀+50vwt3yi=ki姨sinns仔t30+2仔琢360i蓸蔀扇墒设设设设设设缮设设设设设设(3)2叶序排布砂轮磨削形貌仿真2.1形貌仿真参考策略笔者按粒度 45/50的 CBN 磨粒构建虚拟砂轮、圆锥形的虚拟磨粒及虚拟工件。磨粒与砂轮按照式（2）、（3）运动方程运动，磨粒磨削工件表面时，替换工件表面形貌，生成磨削表面，计算生成磨削表面的平台支撑率（见图 3）。2.2仿真结果分析（1）叶序砂轮位置对工件表面形貌的影响本次仿真的试验条件为：砂轮内径 R1=40mm，外径 R2=50 mm，端面砂轮的磨粒排布形式为互生叶序排布，叶序系数 k=1.58，端面磨粒数为360 个，砂轮转速 ns=1 000 r/min，进给速度 vw=10m/min，磨削深度 ap=0.03 mm。随着砂轮中心与工件表面距离 h 发生改变，分别计算出不同砂轮位置下的平台支撑率（见图 4）。可知，叶序砂轮平台支撑率曲线变化平滑，随工件远离砂轮中心，工件表面去除率均匀增大，平台支撑率显著减小，在工件靠近砂轮两侧时，平台图 2端面砂轮与工件运动关系图1砂轮；2仿真区域；3工件表面构建虚拟砂轮输入磨粒叶序化参数给定砂轮运动方程构建虚拟磨粒构建虚拟工件更新工件表面形貌输入工件表面三维形貌结束开始计算下一工件表面区域判断虚拟砂轮表面磨粒是否磨削到工件表面区域输入砂轮运动参数352023 年 第 3 期（总 213 期）CFHI一重技术图 7砂轮转速对工件表面形貌的影响（a)转速 600 r/min（b)转速 800 r/min（c)转速 1 000 r/mi（d)转速 1 200 r/min图 6叶序砂轮转速对工件平台支撑率的影响（a）h=5 mm（b）h=14 mm（c）h=20 mm（d）h=32 mm图 5砂轮位置对工件表面形貌的影响图 4叶序砂轮位置对平台支撑率影响支撑率达到较低值。笔者给出砂轮位置变化时工件的表面形貌（见图 5）。h=5 mm 时，叶序砂轮靠近砂轮中心区域，网纹形貌的变化较大，沿砂轮运动速度方向形成大小不一、交替变化的菱形平台。由磨粒轨迹重叠区域形成的沟痕将工件表面划分成几个大的菱形区域，工件表面的平台支撑率为 22.82%。h=14 mm 时，叶序砂轮磨削形成的菱形平台面积普遍减小，在同一菱形区域内，平台面积规则变化。平台支撑率为 15.85%，h 在 1020 mm 内，平台支撑率随 h 增大均匀下降。h=20 mm 时，磨削生成的工件表面最大菱形平台进一步减小，同时，在砂轮运动方向上，菱形平台大小变化速度逐渐平滑，磨粒在工件表面聚集形成的沟痕不再明显，平台支撑率进一步降低为10.66%。h=32 mm 时，磨削生成的工件表面菱形平台最均匀，平台表面上被磨削去除的区域占比显著增加，平台支撑率为 3.44%。（2）叶序砂轮转速对磨削网纹的影响不同砂轮转速产生的叶序网纹也有差异。笔者研究砂轮内径 R1=40 mm，外径 R2=50 mm，叶序系数 k=1.58，端面磨粒数 360 的叶序砂轮，在给定磨削深度 ap=0.03 mm，进给速度 vw=10 m/min，砂轮转速 ns分别取 600 r/min，800 r/min，1 000 r/min，1 200 r/min 时磨削生成的砂轮形貌。叶序排布的端面砂轮在不同转速下，其平台支撑率变化较为平缓。在 ns为 600 r/min，800 r/min时，随砂轮中心位置远离工件表面，平台支撑率整体下降，但在距离砂轮中心较近时，平台支撑率变化有反常。ns为 1 000 r/min，1 200 r/min 时，平台支撑率变化平稳，随砂轮中心远离工件表面，工件表面的平台支撑率逐渐下降。不改变砂轮位置，增大转速，工件表面的平台支撑率减小，且磨削出的工件表面变化平滑（见图 6）。笔者给出工件远离砂轮中心位置，转速分别为600 r/min、800 r/min、1 000 r/min，1 200 r/min 时，砂轮磨削出的工件表面的网纹形貌变化（见图 7）。可以看出，不同转速下，磨削生成的网纹平台均被划分为菱形网纹区域，当转速为 600 r/min 时，36CFHI2023 年 第 3 期（总 213 期）CFHI TECHNOLOGY图 8排布参数对工件表面形貌的影响（a)叶序系数 k=1.58（b)叶序系数 k=1.37每个网纹区域内的平台面积较大，且变化相对明显，该区域 内 平 台 支 撑 率 为 14.24%（见 图 7（a）；转速为 800 r/min、1 000 r/min 时，平台面积逐渐减小，其平台支撑率分别为 8.48%与 5.88%（见图 7（b）、（c）；当转速增大到 1 200 r/min时，形成的网纹表面逐渐均匀，其平台支撑率为1.95%（见图 7（d）。（3）叶序系数对磨削网纹的影响工件远离砂轮中心位置，端面叶序砂轮在转速ns=800 r/min，叶序系数分别为 k=1.58 和 k=1.37时，磨削生成的网纹菱形平台逐渐减小，平台支撑率分别为 5.88%（见图 8（a）和 7.48%（见图 8（b），k=1.37 时，工件在去除率降低的情况下，获得更为均匀的网纹。3结语（1）叶序砂轮磨削出的工件表面的平台支撑率随砂轮中心位置由中心向两侧移动均匀减小。当叶序砂轮两侧参与磨削时，磨削形成的工件表面更加均匀。（2）叶序砂轮的运动参数与排布参数均会影响磨削生成的表面形貌，随着砂轮转速的增大与叶序系数的减小，获得的表面菱形平台更加均匀。参考文献1 Luo Yuehao,Lu Yuan,Li Jianhua,Wang Jianshe.Boundary layer dragreduction research hypotheses derived from bio-inspired surface andrecent advanced applications J.Micron，2015,79:59-732 Bewilogua K,Brauer G,Dietz A.Surface technolo-gy for automotiveengineering J.CIRP Annals Manufacturing Technology，2009,58:608-6273 Liu Kesong,Jiang Lei.Bio-inspired design of multiscale structuresforfunction integration J.Nano Tod-ay，2011,6:155-1754 Silva E J,Kirsch B.Manufacturing of structured surfaces via grindingJ.Journal of Materials Processing Technology，2016,243:170-1835 Stepien P.Deterministic and stochastic components of regular surfacetexture generated by a special grinding processJ.Wear，2011,271:514-5186 Stepien P.Regular Surface Texture Generated by Special GrindingProcess J.Journal of Manufac-turing Science and Engineering，2009,131:011-0157 Stepien P.Grinding forces in regular surface texture generation J.International Journal of Machine Tools&Manufacture，2007,47:2098-21108 Aurich J C,Braun O,Wamecke G.Development of a Superabrasivegrinding wheel with defined grainstructure using kinematicsimulation，CIRP Annals-Manufacturing Technology，2003,52(l):275 一 2509 Oliveira J F G,ButeneA C,Franca T V.A novel dressing techniquefor texturing ofgroudsurfaces.CIRP Annals ManufacturingTechnology，2010,59:361-36410 Kim Hochan,Ko Tae Jo.Simulation of micro-patterns engraved bygrinding process with screw shaped wheel J.Simulation ModellingPractice and Theory，2014(49):227-286.11 Vogel H.A better way to construct the sunflower head J.Mathe原matical biosciences,1979,44(3-4):179-189.12 Zeng Quanren,Qin Yi,Chang Wenlong.Correlating and evaluatingthe functionality-related properties with surface texture parametersand specific characteristics of machined components J.Interna原tional Journal of Mechanical Sciences，2018,149:62-7213 Irene Buj Corral,Joan Vivancos Calvet,Milton Coba Salcedo.Use ofroughness probability parameters to quantify the material removedin plateau-honing J.International Journal of Machine Tools&Manufacture，2010,50:621-62914 Mohammadjafar Hadad,Mohammadjavad Ramezani.Modeling andanalysis of a novel approach in machining and structuring of flatsurfaces using face milling process J.International Journal ofMachine Tools&Manufacture，2016,105:32-4415 Mezghani S,DemirciI,Yousfi M.Mutual influence of crosshatch angleand superficial roughness of honed surfaces on friction in ring-packtribo-system J.Tribology International，2013,66:54-5916 Mezghani S,Demirci I,Zahouani H.The effect of groove texture pat原terns on piston-ring pack friction J.Precision Engineering,2012,36:210-217收稿日期：2023-01-12是针对核安全重要物项，但是，对国内核设备制造单位来说，ISO 19443 的确是建立一体化体系的有效指导文件。目前，国外已有认证机构以此标准开展体系认证工作，截止 2022 年 9月，已有四家外国公司获得该标准的体系审核和认证。因此，建议国内核设备制造厂加深对该标准的研究及导入，尝试以此为基础开展一体化体系建设，为后续工作赢得先机。参考文献1 吴凤凤,魏微.王维哲.ISO 19443 提供核安全重要产品和服务的组织采用 ISO 9001-2015 质量管理体系标准的特殊要求 S收稿日期：2023-04-20（上接第 53 页）37