硬脆材料锯磨去除机理的研究

对国内外有关硬脆材料锯磨去除机理及硬脆材料塑性域锯磨的研究现状进行综述 ,指出了该领域有待深入研究的问题。     

金刚石线锯横向超声振动切割SiC单晶表面 粗糙度预测*

把横向超声振动应用到金刚石线锯切割硬脆材料加工中,基于冲量原理分析了线锯横截面上不同位置处金刚石磨粒对工件的法向锯切力。应用压痕断裂力学理论,定量分析了在法向和切向载荷共同作用下磨粒下方中位/横向裂纹扩展的长度和深度。研究了振动磨粒在工件上间歇加载和卸载使横向裂纹优先扩展并抑制中位裂纹扩展的屏蔽效应。建立了横向振动线锯切割硬脆材料时线锯横截面不同位置处磨粒的材料去除模式模型,得到了横向振动线锯切割硬脆材料晶片表面粗糙度的预测公式。以SiC单晶为切割对象,进行普通线锯和横向超声振动线锯切割对比试验,测定线锯的锯切力和晶片表面粗糙度,并对表面形貌进行观察。结果表明,横向超声振动线锯切割SiC是以脆性去除为主塑性去除为辅的混合材料去除模式;同等试验条件下,超声振动线锯切割能使晶片表面粗糙度降低25.7%。表面粗糙度测试结果与理论预测具有较好的一致性。     

硬脆材料磨削加工机理研究进展

金刚石砂轮磨削加工仍然是最有应用前景的硬脆材料高效加工途径,而弄清磨削加工机理对实现硬脆材料元器件的高效超精密加工具有重要意义。介绍硬脆材料微纳切削的静态压痕断裂力学模型与动态切削加工近似模型这两种经典模型,诠释了塑脆转变机制。深入分类探讨了硬脆材料的脆性去除、塑性域去除与粉末化去除这3项加工机理,材料去除是裂纹演化、挤压微破碎、相变与位错等因素导致而成。塑性域加工是改善硬脆材料加工损伤的重要措施,而力热耦合作用场、材料晶面晶向等因素都是影响塑性域去除机制的关键。     

硬脆单晶材料塑性域去除机理研究进展

硬脆单晶材料具有高硬度、低密度、低热膨胀系数、化学稳定性好等特点,近年来在光学、航空航天、电子、固体激光器等领域应用广泛。这类材料由于高硬度、低断裂韧性等特点,加工过程容易产生脆性断裂,属于典型的难加工材料。硬脆单晶材料的塑性域加工技术成为超精密加工领域研究的热点问题,然而目前对硬脆单晶材料塑性域去除机理的研究尚处于探索阶段。介绍了硬脆单晶材料塑性域加工的概念,综述了硬脆单晶材料的塑性域去除机理,指出了目前硬脆单晶材料在塑性域去除机理研究方面存在的问题,并对硬脆单晶材料塑性域去除机理的未来研究方向进行了展望。     

硬脆材料磨削力建模研究现状与展望

硬脆材料由于其高硬度、高强度等良好力学性能和物理特性,在国防、机械等领域都有广泛的应用前景。硬脆材料磨削过程主要由塑性变形去除和脆性断裂去除组成,其加工机理分析相对塑性材料磨削过程较为复杂。磨削力作为磨削加工机理研究基本特征参数,与加工表面质量、砂轮耐磨性和材料脆性或者塑性去除的预测等均有紧密联系。本文对硬脆材料磨削力建模进行总结,并针对硬脆材料磨削力研究存在的问题,提出了硬脆材料磨削力研究的方向。     

硬脆材料微磨削表面形成机理试验研究

微磨削作为微尺度硬脆材料元器件的一种重要加工方法越来越受到重视,分析硬脆材料微磨削材料去除机理、提出其应为脆性去除与延性去除的综合作用,并就硬脆材料微磨削中材料去除过程与传统磨削方式的不同建立微磨削表面形成模型。为揭示硬脆材料微磨削过程的表面形成机理,验证所提出的微磨削未变形切屑厚度hm与微磨削表面粗糙度Ra计算模型的科学性和准确性,针对钠钙玻璃这一典型硬脆材料设计了正交微磨削试验,就试验结果进行硬脆材料微磨削表面形貌分析,讨论硬脆材料微磨削表面影响因素以及影响规律。基于试验数据结果对所建立微磨削模型的科学性进行了验证,并通过试验获得了微磨削后表面粗糙度Ra从78 nm至0.98 μm的一系列表面,为硬脆材料微磨削表面形成机理研究提供了理论参考与试验依据。     

石英玻璃的单颗磨粒划擦应力场解析模型及损伤可控磨削机理研究

构建了单颗磨粒划擦各向同性硬脆材料的弹性应力场解析模型,并以此为基础提出单颗磨粒划擦各向同性硬脆材料表面的裂纹失稳扩展临界函数,临界函数包含原始表面应变速率、磨削液等因素对裂纹扩展造成的影响。将石英玻璃作为研究对象,深入分析了表面微裂纹损伤的可控磨削机理。在进行石英玻璃的磨削试验中,材料的磨削机理随单颗磨粒磨削深度的增加而变化,依次是塑性域去除、低载半脆性域去除、全脆性域去除和高载半脆性域去除。在1 mm/min的工件进给速度下,可以对石英玻璃进行塑性域磨削,从而获得无裂纹损伤的光滑磨削表面,然而其磨削效率较低,在实际生产中不能发挥理想的作用。对石英玻璃开展全脆性域磨削时,材料去除率较高、加工表面表面质量好、微裂纹损伤深度较小,砂轮自锐性良好,是一种优良的精密磨削工艺。     

加工硬脆材料的电镀金刚石丝锯

该锯解决了圆盘锯、带锯等不能一次加工硬脆材料内异形透孔和外曲线成型表面的难题。本文叙述了用电镀方法电镀金刚石丝锯的特点和制造原理以及对硬脆材料的加工原理。     

硬脆材料微磨削延性域复合临界条件建模及试验研究

分析硬脆材料微磨削表面形成机理并建立了微磨削槽磨未变形切屑厚度hm数学模型,引入微尺度效应系数Md、延性域系数与延-脆性域系数ζ0与ζ1,针对硬脆材料特性提出微磨削延性域,延-脆性域复合临界条件模型。基于精密微磨削机床进行钠钙玻璃与单晶硅这两种典型材料的微尺度槽磨磨削试验,通过对试验结果分析得出两种材料微磨削表面裂纹变化规律。基于实际试验数据结果对提出的硬脆材料微磨削复合临界条件模型进行验证,证明了所提出模型的科学性。分别给出钠钙玻璃与单晶硅的延性域与延-脆性域微磨削加工参数a0与a1,为硬脆材料微磨削延性域临界磨削条件研究提供了理论参考与试验依据。     

横向超声振动对金刚石线锯切割硬脆材料锯切力及临界切削深度的影响

硬脆晶体材料,如SiC、Ge和Si等,由于其临界切削深度极小,常规加工方法很难实现塑性模式加工,研究横向超声振动金刚石线锯对硬脆材料锯切力和临界切削深度的影响有重要意义。在研究线锯受迫振动的基础上,分析金刚石线锯在横向超声波激励下柔性旋转点切割硬脆材料的条件;用特征函数对超声激励下金刚石线锯的振动切割状态进行表征;应用磨削理论建立了单颗金刚石磨粒切割硬脆材料的力学模型;推导出超声振动激励下金刚石线锯锯切硬脆材料临界切削深度的计算公式。以单晶SiC为对象,进行了超声振动线锯切割和普通线锯切割对比试验。结果表明相同条件下,超声振动线锯切割SiC的锯切力比普通线锯的锯切力减少22.4%~64.2%,临界切削深度增加1倍,晶片表面粗糙度有明显的改善。试验结果与理论分析具有良好的一致性。     

化学机械磨削技术研究现状与展望

化学机械磨削能通过化学机械协同过程实现单晶硅、石英玻璃等硬脆材料的超精密高质低损加工,被广泛应用于半导体以及光学等领域器件的平坦化加工。在综述化学机械磨削技术材料去除机理、磨削工艺以及复合加工工艺等方面研究现状的基础上,对上述研究现阶段存在的问题进行了分析讨论。分析表明,从固固相化学反应机制和化学机械协同效应角度揭示化学机械磨削机理,有助于从材料去除机理、磨具结构设计以及复合加工工艺开发等角度创新得到提高该技术加工效率的可行性方法。最后,对化学机械磨削技术在多样化加工对象、较复杂结构加工、多能场复合加工工艺以及智能数据库开发等方向的发展进行了展望。     

硬脆材料超声振动钻磨表面特征试验研究

将超声振动引入普通钻磨中,对不同加工参数时普通钻磨和超声钻磨两种模式下的表面粗糙度进行了试验分析,并对超声与普通钻磨过程中的被加工表面微观形貌进行了试验研究.结果表明,超声振动钻磨加工是适合硬脆材料等的一种高效加工方法.     

Surface formation and damage mechanisms of nano-ZrO2 ceramics under axial ultrasonic-assisted grinding

Journal of Mechanical Science and Technology - In this study, the surface formation and damage mechanism of hard-brittle materials in axial ultrasonic-assisted grinding (AUAG) were revealed using...     

超精密平面磨床关键技术的发展

随着硬脆材料应用领域的扩大以及砂轮电解在线修整技术的发展,超精密磨削技术在近年来得到了飞速发展,其中超精密平面磨削技术的应用最为广泛。本文介绍了国内外超精密平面磨床的关键技术,包括总体结构、砂轮主轴及驱动系统、导轨及驱动系统、温度及热变形控制等。     

光学玻璃的精密加工技术

光学玻璃作为一种典型的脆硬材料,采用普通的加工方法难以进行高效精密加工。本文介绍了光学玻璃的高效精密特种加工技术,对ELID法、激光加工、超声磨削以及精密铣削的最新研究进展进行了综述。采用ELID技术,通过控制加工工艺参数,使砂轮单个磨粒的最大切削深度小于脆性材料的临界切削厚度,实现了脆性材料的塑性加工,并得到精密光滑的表面;在加工非球曲面时,可使零件的精加工抛光量降到最低。最新激光加工技术通过增加预热激光束,极大降低已加工表面的热应力及拉伸应力,使得加工质量有了大幅提高。超声波磨削加工不仅改善了表面完整性,而且提高了加工效率,通过选用适当的刀具和工艺参数,使被加工工件表面粗糙度值比普通磨削降低了30%～40%。光学玻璃精密铣削技术通过优化刀具、加工方式及工艺参数,可提高加工质量和效率、降低加工成本。     

硬脆材料旋转超声加工技术的研究现状及展望

旋转超声加工是一种复合特种加工技术,它复合了传统超声加工和普通磨削加工的材料去除方式,在提高硬脆材料去除效率、减小切削力、提高加工精度和表面完整性等方面具有显著优势。自旋转超声加工技术发明至今,国内外学者开展了大量的有关旋转超声加工装备及工艺的研究工作,并且已在几乎所有主要的硬脆难加工材料中得到实际应用。本研究在简要概述旋转超声加工技术的基本原理和发展过程基础上,总结国内外学者在材料去除机理、工艺特性、加工新形式以及装备研发等几方面的主要研究成果,并对旋转超声加工技术的发展趋势及值得关注的问题进行展望。     

非球面平行法磨削技术研究

文中针对硬脆材料非球面光学元件平行法磨削技术进行了研究,从加工原理上分析了平行法磨削技术不同于传统非球面磨削技术的特点,并通过几何关系建立了两轴联动非球面平行法磨削加工时球头砂轮运动模型,为非球面平行法磨削加工系统结构设计和数控系统轨迹计算奠定了基础.     

超声振动辅助磨削脉冲放电复合加工工艺研究

利用超声振动、电火花脉冲放电的加工特点,将其同单一普通磨削优化组合,可以得到较好的加工效果。从加工表面粗糙度、表面微观形貌两个方面,比较了单一磨削、超声振动辅助磨削、磨削—电火花脉冲放电复合加工、超声振动辅助磨削—电火花脉冲放电复合加工的加工效果,得出了不同加工方法的优缺点。通过对几种加工方法的优化组合,设计了新的加工工艺。实验结果证明,新的加工工艺可以有效地提高加工表面质量,减少裂纹和热应力的产生。     

Fiber-reinforced composites in milling and grinding: machining bottlenecks and advanced strategies

Fiber-reinforced composites have become the preferred material in the fields of aviation and aerospace because of their high-strength performance in unit weight. The composite components are manufactured by near net-shape and only require finishing operations to achieve final dimensional and assembly tolerances. Milling and grinding arise as the preferred choices because of their precision processing. Nevertheless, given their laminated, anisotropic, and heterogeneous nature, these materials are considered difficult-to-machine. As undesirable results and challenging breakthroughs, the surface damage and integrity of these materials is a research hotspot with important engineering significance. This review summarizes an up-to-date progress of the damage formation mechanisms and suppression strategies in milling and grinding for the fiber-reinforced composites reported in the literature. First, the formation mechanisms of milling damage, including delamination, burr, and tear, are analyzed. Second, the grinding mechanisms, covering material removal mechanism, thermal mechanical behavior, surface integrity, and damage, are discussed. Third, suppression strategies are reviewed systematically from the aspects of advanced cutting tools and technologies, including ultrasonic vibration-assisted machining, cryogenic cooling, minimum quantity lubrication (MQL), and tool optimization design. Ultrasonic vibration shows the greatest advantage of restraining machining force, which can be reduced by approximately 60% compared with conventional machining. Cryogenic cooling is the most effective method to reduce temperature with a maximum reduction of approximately 60%. MQL shows its advantages in terms of reducing friction coefficient, force, temperature, and tool wear. Finally, research gaps and future exploration directions are prospected, giving researchers opportunity to deepen specific aspects and explore new area for achieving high precision surface machining of fiber-reinforced composites.     

Analysis and monitoring of mode transitions during afm nanomachining of IZO-Coated pyrex glass

The goal of this research is to investigate and monitor machining mode transitions during nanoscale scratching of IZO-coated Pyrex glasses using atomic force microscope (AFM). Among the AFM nanomachining mode features, which include elastic/plastic deformations and crack generation, pile-up (by ploughing) is a key surface phenomenon that can represent plastic deformation characteristics, such as a sign of chip making. Moreover, because the pile-up formation mechanism of coated materials is reported to be distinct from that of bulk materials, the examination of pile-up in coated materials is challenging, along with brittle transition (crack initiation). In this research, the pile-up formation and crack initiation, that occur during nanoscratching, were examined and analyzed near the coating-substrate (glass) boundary. In addition, acoustic emission (AE), a sensing scheme with nanoscale sensitivity, was introduced to detect significant machining state variations and mode transitions. Experimental and analysis results indicate that the proposed scheme is viable for characterizing/monitoring the nanoscale machining of coated materials.