超声高速研磨陶瓷表面残余应力特性研究

工程陶瓷材料的表面残余应力对其使用性能影响很大.本文采用固着磨料超声外圆研磨装置在精密车床上,对ZrO2、Al2O3和纳米ZrO2增韧Al2O3(ZTA)三种陶瓷材料,在不同的磨粒尺寸、研磨压力、研磨速度下的表面残余应力进行了实验研究.研究结果表明:精密平面磨削残余应力产生机理主要为热塑效应和相变效应的综合作用,而固着磨料和游离磨料研磨残余应力产生机理主要是机械冷挤压作用;前者在两个方向上均表现为拉应力,后者均为较小的残余压应力;其值随着磨料尺寸、研磨压力与研磨速度的增大而增大;但超过一定值之后残余应力的增加变得缓慢.在相同条件下,Al2O3陶瓷研磨表面在两个方向上均表现为残余拉应力,而ZrO2和ZTA陶瓷研磨表面均为残余压应力.     

研磨工艺对18CrNiMo7-6钢表面粗糙度和残余应力的影响

目的 探究研磨工艺参数对18CrNiMo7-6钢渗碳前后工件表面粗糙度和残余应力的影响规律，从而为降低研磨加工工件表面粗糙度，提高表面质量提供依据。方法 分别采用三维表面轮廓仪和X射线残余应力分析仪对工件研磨前后的表面粗糙度和残余应力进行检测，通过单因素试验研究研磨垫粒度、研磨压力、研磨速度及研磨时间等研磨工艺参数对工件表面粗糙度和残余应力的影响规律。结果 随着研磨垫粒度从400#到3000#，渗碳前后工件表面粗糙度值均减小，Ra可达15~17 nm。渗碳前后工件表面残余应力值均增大，渗碳前表面表现为残余压应力，渗碳后表面可由较大的残余压应力升至残余拉应力。当研磨垫粒度为400#时，渗碳前后工件残余应力分别为–506.54 MPa和–587.29 MPa。研磨垫粒度为800#时，随着研磨压力、研磨速度及研磨时间的增大，渗碳前后工件表面粗糙度值均减小，且表面残余压应力值增大。结论 相同研磨条件下，渗碳后工件的表面粗糙度普遍小于基体件，而渗碳件的表面残余应力普遍大于基体件。18CrNiMo7-6钢渗碳后，硬度、耐磨性得到极大提高，其研磨过程中塑性变形程度减弱是导致上述现象的重要原因。     

金刚石砂带超精密研磨细长脆硬材料的工艺参数研究

基于线性磁带开放协议的第三代磁头的关键部件之一是一种由复合脆硬材料组成的具有特殊外形轮廓的微小细长杆件,由于其长径比大,弯曲变形要求严,使得加工较为困难。本文用固着磨料研磨方法进行外形轮廓研磨,通过测量工件的直线度误差、材料去除率和表面粗糙度,研究研磨压力、速度、磨料粒度以及夹紧力等工艺参数对研磨质量和效率的影响。结果表明,当研磨压力为4.59kPa、速度80次/min、夹紧力9.8N、用粒径1μm的金刚石砂带时效果最优,同时表明工件变形随研磨压力及夹紧力的增大而增大。     

18CrNiMo7-6钢高速外圆磨削残余应力和硬度的试验分析

针对18CrNiMo7-6渗碳钢工件,以砂轮线速度v_s、工件转速n_w、砂轮径向进给速度v_fr和砂轮CBN磨料粒度为变量设计单因素试验,分别采用X射线残余应力分析仪和显微硬度计对工件的表面残余应力和硬度进行检测。结果表明:高速外圆磨削可为18CrNiMo7-6渗碳钢工件的表面引入残余压应力,X方向的压应力小于Y方向的压应力,同时高速外圆磨削可以提高工件表面的硬度;随着v_s的增大,残余压应力先增大后趋于平稳,硬度先减小后增大且在v_s为75 m/s时最小;随着n_w的增大,工件表面残余压应力和硬度的变化不具单调性;v_fr对工件表面残余压应力和硬度的影响较大,线性拟合后残余压应力和硬度整体上均呈减小趋势;不同CBN磨料粒度砂轮磨削在工件表面产生残余压应力和硬度的大小依次为M10/20最大,120/140次之,230/270最小;18CrNiMo7-6钢表面存在拉应力时硬度较低,表面存在压应力时硬度较高。      

新型微坑车刀切削AISI4140残余应力影响因素分析研究

为了探究切削用量对新型微坑车刀切削工件表面残余应力的影响规律,应用AdvantEdge切削仿真软件,结合单因素和正交实验,通过微坑车刀和原车刀切削AISI_4140仿真及实验验证。结果表明,原车刀和微坑车刀残余拉应力随切削速度增大,先增大后减小,随进给量的增大而减小,总体上,微坑车刀切削工件残余拉应力更小。残余压应力随切削速度增大,微坑车刀切削工件先增大后减小,随进给量增大先增大后减小。原车刀几乎不变。切削用量对微坑车刀切削工件残余应力影响,进给量最大,切削速度次之,切削深度最小。通过实验验证,相同切削条件下,微坑车刀降低了加工工件表面残余拉应力,提高了加工工件表面质量,一定程度提高了工件的服役寿命。     

超声干磨削对金属材料残余应力影响实验研究

采用电镀金刚石砂轮对45钢进行超声干磨削实验,研究了磨削深度、砂轮速度、工件速度和超声振幅对工件表面残余应力的影响。结果表明:在干磨削工况下,添加超声振动能增大表面残余压应力,磨削深度和工件速度的增加对增大残余压应力有益,而砂轮速度的增大将使残余压应力减小。     

微晶玻璃固结磨料研磨加工亚表面损伤预测研究

目的 快速、准确预测微晶玻璃在研磨加工过程中的亚表面损伤状况,制定合理的加工工艺。方法 通过建立微晶玻璃的离散元模型,仿真分析了研磨压力等研磨工艺参数对工件亚表面损伤的影响规律,并采用角度抛光法对研磨后微晶玻璃的亚表面损伤状况进行了实验验证。结果 采用W14金刚石固结磨料垫研磨微晶玻璃,当研磨压力为10 kPa时,工件亚表面裂纹层深度为1.75μm,当研磨压力降低至3.5 kPa时,工件亚表面裂纹层深度为1.38μm;随着研磨压力的降低,亚表面微裂纹数量减少。研磨残余应力层分布深度大于微裂纹层的,且在微裂纹的尖端存在较大的残余拉应力。结论 角度抛光法得到的亚表面裂纹层深度与仿真结果一致,偏差范围为-10.87%～11.29%,残余应力仿真结果与试验结果的偏差为7.89%。离散元仿真能够比较准确地预测固结磨料研磨微晶玻璃的亚表面损伤状况,为其研磨抛光工艺参数的制定提供了理论参考依据。     

超高速预应力磨削实验研究

基于一种预应力切削方法及理论,进行了GCr15轴承钢预应力磨削实验,对磨削力进行了测量,并分析了加工后的工件表面形貌。实验结果表明:磨削力随砂轮线速度的增大而减小,随工件速度、磨削深度的增大而增大,但基本不受预应力的影响;随着预应力的增大,加工表面的残余拉应力逐渐下降,逐渐产生残余压应力,磨削烧伤程度和凹痕深度略微加深,但预应力在某一区间时,工件表面质量较好,且存在残余压应力,从而验证了超高速预应力磨削的可行性。     

外圆纵向磨削工艺对18CrNiMo7–6钢表面完整性的影响

为了探究工件转速 n_w 、磨削深度 a_p和纵向进给速度 v_f等磨削工艺参数对18CrNiMo7–6钢表面粗糙度和表层残余应力的影响,用端面外圆磨床开展其单因素外圆纵向磨削试验。结果表明:随着n_w的增大,工件表面粗糙度R_a先减小后增大,当n_w为120 r/min时,R_a达到最小值,此时工件表面的残余压应力最大;当n_w大于120 r/min时,工件表面残余应力出现起伏。随着a_p的增大,工件表面粗糙度R_a先减小后增大,工件表面残余拉应力随着磨削深度的增大而增大。随着v_f的增大,工件表面粗糙度 R_a先减小后增大,当v_f为210 mm/min时,R_a值最小;且随v_f的增大,工件表面残余压应力逐渐减小,并最终转变为逐渐增大的残余拉应力。      

58SiMn高强度钢车削表面完整性的试验研究

目的研究58Si Mn高强度钢表面完整性评价指标受切削参数影响的变化规律。方法分别设计单因素和正交试验,采用涂层硬质合金刀具对58Si Mn高强度钢进行车削加工试验,通过采集相关数据,分别讨论了切削深度、进给速度和切削速度变化对表面粗糙度、残余应力、显微硬度和表层微观组织变化等方面的影响。结果进给速度对表面粗糙度的影响最显著,切削速度次之,切削深度的变化对表面粗糙度无直接影响。已加工表面的残余应力随切削速度和进给量的增大而增大。显微硬度随切削深度的增大而减小,随进给量的增大而增大,层深上的显微硬度则呈现先减小后增大的趋势。表层微观组织受切削速度影响不大,未出现明显的相变和晶粒歪曲。结论降低进给速度是减小工件表面粗糙度最直接有效的方法,提高切削速度并不能使表面粗糙度明显减小。工件表面的轴向和切向残余应力均为拉应力,为提高零件使用性能,应采取相应的措施使之转化为压应力。     

单晶SiC基片的铜基研磨盘加工特性研究!

采用铜基螺旋槽研磨盘对6H-SiC单晶基片的Si面和C面进行了单面研磨加工,研究研磨压力、研磨盘转速和金刚石磨粒尺寸对SiC基片材料去除率和表面粗糙度的影响。结果表明,单晶SiC的C面和Si面具有明显的差异性,C面更易加工,其材料去除率比Si面大。研磨压力是影响材料去除率和表面粗糙度的主要原因,研磨压力越大,材料去除率越高,但同时表面粗糙度变大,较大的研磨压力会导致划痕的产生。在达到最佳表面粗糙度时,C面加工所需的转速比Si面大。磨粒团聚会严重影响加工表面质量,采用粒度尺寸3 μm的金刚石磨料比采用粒度尺寸1 μm的金刚石效果好,经粒度尺寸3 μm的金刚石磨料研磨加工5 min后,Si面从原始粗糙度R_a 130 nm下降到R_a 5.20 nm,C面下降到R_a 5.49 nm,表面质量较好。      

不定偏心平面研磨中固结磨具的均匀磨损

固结磨具不定偏心平面研磨加工中,磨具的均匀磨损是保证加工工件面形精度的前提。结合固结磨具平面研磨中磨具均匀磨损理论,通过力学和运动学分析,探讨磨具均匀磨损的条件,推导出磨具上一点相对于工件的轨迹方程与相对速度以及磨具与工件间的压强分布;分析磨具的结构参数、摆动机构参数以及转速比对磨具均匀磨损的影响。结果表明:最佳磨具结构参数是Δr=20 mm,α=45°, ε=3 mm;最佳摆动机构参数是φ=6°,T=1 s,e₀=60 mm;最佳转速比是k_ω=2。      

超声振动辅助研磨单晶碳化硅晶片工艺研究

针对传统研磨方法加工单晶碳化硅晶片存在的材料去除率低、磨料易团聚等问题,本文提出超声振动辅助研磨方法,并探究不同工艺参数（转速、磨料质量分数、抛光压力、磨料粒径）对单晶碳化硅晶片研磨效率和表面质量的影响规律。试验结果和理论分析表明:超声振动有效提高了单晶碳化硅晶片研磨的材料去除率;在研磨盘转速为50 r/min,磨料质量分数为2.5%,压力为0.015 MPa,磨料粒径为0.5 μm时超声振动对材料去除率的提升效果最明显,分别提升23.4%,33.8%,72.3%,184.2%。同时,通过对研磨过程中表面粗糙度的追踪检测,能确定不同粒径磨料超声振动辅助研磨的最佳时间。      

固结磨料垫高效研磨氟化钙晶体研究

氟化钙晶体的高效精密研磨加工是实现其超精密抛光加工的前提。采用单晶金刚石和聚集体金刚石磨料制备固结磨料垫(FAP),对比研究其研磨加工性能,探索不同种类的金刚石磨粒在固结磨料研磨垫自修整过程中的作用机理。结果表明:采用聚集体金刚石磨料制成的FAP研磨效率明显高于单晶金刚石FAP的,且其材料去除率更稳定,同时聚集体金刚石FAP的自修整能力要优于单晶金刚石FAP的。在10 kPa压力下,采用初始粒径为3～5 μm的聚集体金刚石FAP研磨氟化钙晶体,其材料去除率达13.0 μm/min, 表面粗糙度值R_a为130.0 nm。      

球形固结磨料磨头研磨TC4钛合金的工艺探索

TC4钛合金是典型的难加工材料,在传统加工中存在难切削、工件表面易烧伤等问题。采用自行设计的球形固结磨料磨头开展TC4钛合金研磨实验,探索不同粒径、磨料种类及研磨工艺参数对TC4钛合金研磨材料去除率及表面质量的影响,分析研磨的材料去除机理,优化研磨工艺。发现20～30 μm碳化硅磨粒的研磨效果最佳,优化后的工艺方案为磨头转速2000 r/min,研磨夹角30°,研磨时间10 s。在此工艺参数下研磨材料去除率为22.2 mg/min,工件表面粗糙度R_a值为0.7 μm,兼顾了对材料去除效率和表面质量的要求。      

固结金刚石聚集体磨料垫高效研磨氧化锆陶瓷背板

氧化锆陶瓷背板的高效低损伤研磨加工是其在5G通讯应用中的前提。针对氧化锆材料的硬脆特性造成磨粒磨损严重的特点,以金刚石单晶和聚集体为磨料,制备固结磨料垫（FAP）,并对比研究其加工性能,探索了研磨液中碳化硅磨粒在固结磨料研磨垫自修整过程中的作用机理。结果表明:采用金刚石聚集体作为固结磨料垫的磨料,辅以碳化硅砂浆,能够明显提高研磨速度,改善表面加工质量。采用粒度230/270的金刚石聚集体固结磨料研磨垫,辅以颗粒尺寸3~5 μm的绿碳化硅砂浆,氧化锆陶瓷研磨时材料去除率达2.5 μm/min以上,表面粗糙度值R_a为74.9 nm。      

不锈钢平面的半固着磨粒加工

以马氏体不锈钢SUS 440C为加工对象,使用#3000碳化硅磨粒进行半固着磨粒和游离磨粒加工.半固着磨具与工件的接触采用面-面接触方式,半固着磨具使用SSB结合剂,磨粒重量浓度为60%,孔隙率为70%.游离磨粒加工中研具材料为球墨铸铁.两种加工方法中,加工开始10 min后工件表面粗糙度迅速由Ra 0.2 μm左右降低至Ra 0.07 μm以下,加工30 min后工件表面质量趋于稳定.工件表面质量主要取决于磨粒粒度与加工时间,加工载荷与磨具/研具转速的影响较小.半固着磨粒加工可获得比游离磨粒加工更高的表面质量.     

Effects of mixed abrasive grits in slurries on free abrasive machining (FAM) processes

Effects of mixed abrasive grits in slurries on free abrasive machining (FAM) processes are studied using a single-sided lapping machine. Impacts of mixing abrasives on various parameters such as amount of material removed, material removal rate, surface roughness, particle size distribution and relative angular velocity are studied. The material removed is monitored as a function of time. The experimental results suggest that (i) mixing abrasive grits can increase the amount of material removed, (ii) smaller abrasives can directly or indirectly affect the material removal process, (iii) slurries undergo severe grain size transition during lapping, and (iv) the surface roughness did not change significantly under different loading. The results of this study may have profound implication on the FAM processes that practitioners use today because the mixed abrasive grits increase material removal rate and reduce the grain size transition, while rendering similar surface roughness.     

氮化硅陶瓷球研磨去除方式

为研究研磨工艺参数对氮化硅陶瓷球表面材料去除机理及表面质量的影响,采用立式研球机,通过改变研磨盘转速和压力对氮化硅陶瓷球进行研磨试验,利用扫描电镜、超景深三维显微镜检测研磨后陶瓷球的表面形貌,并运用ABAQUS进行有限元模拟,分析研磨过程中氮化硅陶瓷球表面材料的去除方式及表面质量。研究表明:研磨盘转速和压力对研磨过程中陶瓷球表面材料的去除方式、表面缺陷和表面质量影响较大,随着研磨盘转速和压力的减小,其表面划伤、凹坑和雪花等缺陷明显减少,表面质量随之提高;当压力较大、研磨盘转速较高时,材料以二体断裂去除为主;当压力较小、研磨盘转速较低时,材料以三体脆性断裂去除为主;与二体断裂去除相比,三体脆性断裂去除产生的亚表面裂纹更深。