【技术实现步骤摘要】
本专利技术建立了一种考虑应变率效应的碳化硅陶瓷磨削工件形貌及损伤仿真的方法，利用仿真模拟，建立了考虑应变率效应时碳化硅陶瓷材料磨削表面形貌及亚表面损伤的仿真模型，属于仿真。
技术介绍
1、由于碳化硅陶瓷材料具有导热性好、比刚度高、热膨胀系数低、硬度高、密度小、热稳定性强等优越的材料性能，近年来在航空航天工业中得到了广泛的应用。磨削工艺是加工这些材料最基本的方法之一。碳化硅材料的表面完整性(包括表面粗糙度、表面损伤和亚表面损伤)对其使用性能具有重要影响，但是其优异的材料特性导致了严重的砂轮磨损，磨削工件表面完整性差，加工成本高昂。因此，建立磨削工件形貌的仿真模型对于优选加工参数、降低磨削成本具有重要意义。
2、碳化硅陶瓷的磨削过程涉及磨粒与工件材料之间复杂的相互作用，材料去除过程造成的表面和亚表面损伤会降低碳化硅陶瓷的使用寿命。因此，建立了一个新的数值模拟模型来预测在精密磨削过程中碳化硅陶瓷的表面形貌，考虑了应变率效应对材料损伤的影响，并通过磨粒有序排布的单层金刚石砂轮实现磨削过程控制，成功建立了考虑应变率效应的碳化硅陶瓷形貌及损伤预测的仿真模型。
技术实现思路
1、1.为了优化砂轮轮廓和磨削参数，对磨削工件形貌进行预测是必不可少的。本专利技术建立了一种数学仿真模型，用于预测碳化硅陶瓷材料在磨削过程中的表面形貌。该模型考虑了应变率效应，并利用数值模拟技术进行仿真，通过理论计算预测碳化硅陶瓷磨削工件形貌的演变，旨在实现对陶瓷材料磨削工件表面形貌的准确预测。
2、
3、一种考虑应变率效应的碳化硅陶瓷磨削工件形貌及损伤仿真的方法建立步骤：
4、步骤一：建立磨粒有序排布的单层金刚石砂轮表面形貌模型
5、在本研究中，使用磨粒有序排布的单层金刚石磨料砂轮，由于磨粒直接去除工件材料，因此砂轮形貌的建模需要精确的磨粒模型。金刚石砂轮使用的磨料颗粒多为不规则的六面体和八面体，因此建立一种截尾八面体表示磨料颗粒，将砂轮表面表示为拓扑矩阵，砂轮表面上的颗粒由拓扑矩阵中的点表示。根据磨粒线性排列，设磨粒斜排与砂轮周长夹角为α，相邻两排磨粒在砂轮周长上的距离为δx，沿径向分布的一排磨粒的距离为δz，最终形成磨粒有序排布的单层金刚石砂轮的工件形貌模型。
6、步骤二：金刚石磨粒磨削过程运动学分析
7、材料的去除是由金刚石磨粒与被加工工件的相对运动引起的，建立单颗磨粒运动模型，随机选取单颗磨粒，并计算磨粒的运动轨迹。假设工件表面是平面，根据磨粒的位置和运动轨迹，计算时间点t对应的磨粒在z轴上的位置。若z轴位置小于工件平面高度或大于工件平面高度，说明磨粒与工件表面发生了交互。这时，与工件表面现有数据进行对比，并重新生成新的工件表面数据。
8、步骤三：建立磨削加工后工件表面形貌模型
9、磨粒的顶面通常包含多个切削刃，尤其是在磨粒不均匀的情况下。然而，在进行材料去除过程时，实际用于切削的刃只占所有切削刃中的一小部分，因此以磨粒磨削法线方向上投影的最外层轮廓作为有效切削刀。为了描述磨粒的运动和切削刃信息，引入四个坐标变换矩阵：m1、m2、m3和m4。m1表示有效切削刃的初始点矩阵，即切削刃的起点坐标；m2考虑了磨粒在砂轮外圆的位置和砂轮转动对有效切削刃位置的影响；m3考虑了砂轮的轴向位置对有效切削刃位置的影响；m4考虑了工件的进给速度对有效切削刃位置的影响。利用以上坐标变换矩阵和其他参数，计算每个磨粒在时刻t的空间位置。通过结合工件表面现有数据和磨粒的位置信息，生成磨削加工后的工件表面形貌数据。对于给定的数据点位置(i，j)，计算其对应的x、y坐标以及在该位置上z轴的最小值。
10、步骤四：考虑应变率效应碳化硅陶瓷损伤
11、磨削碳化硅陶瓷涉及到磨粒与工件材料之间复杂的相互作用，这个过程会引起表面和亚表面的损伤，从而降低碳化硅陶瓷的使用寿命。为了更好地理解和预测这种损伤，建立了考虑应变率效应的碳化硅陶瓷损伤模型。通过该模型，可以更准确地评估和优化碳化硅陶瓷的磨削过程，以延长其使用寿命。在磨削过程中，材料会发生脆性-塑性转变，转变过程与临界单颗磨粒切厚相关。如果单颗磨粒切厚小于临界，材料以塑性形式被去除。如果单颗磨粒切厚超过临界值，材料以脆性状态被去除。此时，工件表面和亚表面产生严重损伤。该临界值与磨削速度、单个磨料颗粒的切削参数等因素相关。根据相关公式分析和计算有助于更好理解磨削过程中的脆性和塑性行为变化，并对损伤产生的影响进行评估。根据压痕断裂模型的假设，在磨削过程中，工件表面下会出现横向和纵向的裂纹。材料去除的形式会受到磨削速度、未变形切屑厚度和材料特性的影响。为了选择合适的材料去除方法，通过计算脆性-塑性转变的临界未变形切屑厚度来辅助决策。
12、3.与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：(一)传统的磨削过程模型往往忽略了应变率效应对于碳化硅陶瓷磨削过程的影响。而本专利技术通过引入考虑应变率效应的数学模型，在仿真预测中更精确地描述了磨削过程中的材料行为，从而提高了形貌预测的准确性；(二)通过仿真技术，该专利技术能够对碳化硅陶瓷的磨削过程进行全面、细致的模拟。可以在不同工艺参数、不同加载条件下进行仿真分析，从而提供了更全面的预测结果，增加了预测的可靠性；(三)传统的试验方法需要大量的时间和资源来评估材料的磨削行为和预测表面形貌，而该专利技术利用数学模型和仿真技术能够在计算机上进行快速仿真，大大节约了成本和时间；(四)该专利技术为磨削工艺的优化和控制提供了更准确的预测工具。通过考虑应变率效应，该模型可以应用于不同材料的磨削过程预测，扩展了应用范围，有助于优化工艺参数、提高加工效率和质量；(五)该专利技术所提供的数学模型和仿真技术为磨削工艺的研究和开发提供了新的方法和工具。通过深入理解应变率效应对磨削过程的影响，有助于进一步提升磨削工艺的效率和精度，推动磨削技术的发展。
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1.一种考虑应变率效应的碳化硅陶瓷磨削工件形貌及损伤仿真的方法，其特征在于，包括步骤如下：
2.根据权利要求1所述的一种考虑应变率效应的碳化硅陶瓷磨削工件形貌及损伤仿真的方法，其特征在于，step1中，磨粒采用多面体构建，形状随机，多面体磨粒模型通过下面的公式计算：
3.根据权利要求1所述的一种考虑应变率效应的碳化硅陶瓷磨削工件形貌及损伤仿真的方法，其特征在于，step3中，磨粒的运动轨迹可表示为：x＝vw·t+(rs+hg)·sinθ，z＝(rs+hg)·(1-cosθ)，其中，x、z为磨粒的瞬时坐标，θ为砂轮转动经过的角度，t为磨粒从最低点O转动θ所需的时间，vw为工件进给速度，hg为磨粒从砂轮表面凸出的顶点高度，rs为砂轮的半径。
4.根据权利要求1所述的一种考虑应变率效应的碳化硅陶瓷磨削工件形貌及损伤仿真的方法，其特征在于，step3中，将磨料沿磨削法线方向投影的最外层轮廓作为有效切削刃，用二维矩阵P表示，通过四个坐标变换矩阵可以表征磨粒有效切削刃上任意一点在时间t的空间位置：
5.根据权利要求1所述的一种考虑应变率效应的碳
...【技术特征摘要】
1.一种考虑应变率效应的碳化硅陶瓷磨削工件形貌及损伤仿真的方法，其特征在于，包括步骤如下：
2.根据权利要求1所述的一种考虑应变率效应的碳化硅陶瓷磨削工件形貌及损伤仿真的方法，其特征在于，step1中，磨粒采用多面体构建，形状随机，多面体磨粒模型通过下面的公式计算：
3.根据权利要求1所述的一种考虑应变率效应的碳化硅陶瓷磨削工件形貌及损伤仿真的方法，其特征在于，step3中，磨粒的运动轨迹可表示为：x＝vw·t+(rs+hg)·sinθ，z＝(rs+hg)·(1-cosθ)，其中，x、z为磨粒的瞬时坐标，θ为砂轮转动经过的角度，t为磨粒从最低点o转动θ所需的时间，vw为工件进给速度，hg为磨粒从砂轮表面凸出的顶点高度，rs为砂...
【专利技术属性】
技术研发人员：朱烨均，许佳旋，侯志恒，黄子轩，张肇秦，张佳培，肖茂华，陈宇，尚倩文，李雨诚，
申请(专利权)人：南京农业大学，
类型：发明
国别省市：
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