基于单颗磨粒磨削的超声振动参数与磨削参数匹配性研究

超声辅助磨削是一种适于加工陶瓷等硬脆材料的先进复合加工技术。超声辅助磨削过程中,超声振动参数与磨削用量的匹配性决定了超声振动作用对磨削过程的影响程度,目前尚缺乏深入的研究。针对这一问题,采用单颗磨粒工具对SiC陶瓷工件抛光表面进行超声辅助磨削及普通磨削试验,通过单颗磨粒磨削力、力比、磨削划痕形貌的对比,分析超声振动作用对磨削过程的影响随磨削用量变化的规律。结果表明,相同条件下单颗磨粒超声辅助磨削的磨削力与力比均小于普通磨削时;磨削用量较小时,单颗磨粒超声辅助磨削划痕形貌呈明显的锤击作用及断续磨削特征。随磨削用量的增大,超声辅助磨削过程中的锤击作用显著弱化,断续磨削特征趋于消失,两种方法之间的磨削力差异减小,即超声振动参数与磨削用量的匹配性变差。     

氧化锆陶瓷超声辅助磨削材料去除机理试验研究

为研究超声振动作用对先进陶瓷磨削材料去除机理的影响,文章在超声振动方向垂直于磨削表面条件下,采用钎焊磨头对氧化锆陶瓷开展了超声辅助磨削（ultrasonic assisted grinding,UAG）试验。基于磨削表面微观形貌、磨削力和磨削比能分析,对变磨削深度条件下普通磨削（conventional grinding,CG）与超声辅助磨削的材料去除机理进行了对比。结果表明：当磨削深度低于10μm时,两种方法对应的表面材料去除机理均以塑性去除为主,且普通磨削表面伴有片层状破碎,而超声辅助磨削表面则存在尺寸细小的纹路状微破碎,同时磨削力与磨削比能也较低。当磨削深度超过10μm后,材料去除机理均转变为脆性断裂模式,且加工表面出现微裂纹,但相同条件下超声辅助磨削表面微裂纹尺寸较小。     

磨削速度对碳化硅陶瓷磨削损伤影响机制研究

碳化硅陶瓷高速磨削过程中,磨粒对工件材料强力冲击,应变率剧增、复杂显微结构对应力波传送响应转变,材料力学行为发生变化,目前高速磨削对材料去除机制影响的物理本质认识还不清楚。为此,开展磨削速度对SiC陶瓷磨削裂纹损伤影响机制研究。通过单颗磨粒磨削SiC陶瓷试验,分析了磨削速度对SiC陶瓷磨削表面形貌、磨削亚表面裂纹损伤深度、磨削力和磨削比能的影响规律。试验结果表明,当SiC陶瓷材料以脆性方式去除时,磨削速度对裂纹损伤影响最为显著,随着磨削速度从20 m/s增加到160 m/s,磨削亚表面裂纹损伤深度从12.1μm快速降低到6μm。采用Voronoi法建立了金刚石磨削多晶SiC陶瓷有限元仿真模型,当磨粒切厚为0.3μm,磨削亚表面损伤以微裂纹为主;当磨粒切厚为1μm时,随着磨削速度增加,磨削亚表面裂纹损伤深度从14.7μm降低到4.6μm,磨削亚表面宏观沿晶裂纹逐渐变为微观裂纹。基于位错理论和冲击动力学理论,揭示了高速磨削过程中位错密度的增加和晶界反射应力波对应力场削弱作用是高速磨削SiC陶瓷裂纹损伤“趋肤效应”产生的机理。     

超精密磨削YAG晶体的脆塑转变临界深度预测

钇铝石榴石（YAG）晶体是制造固体激光器的重要材料,超精密磨削是加工YAG晶体等硬脆材料零件的重要方法,研究硬脆材料加工表面的微观变形、脆塑转变机理对超精密磨削加工具有重要的指导作用。为了实现YAG晶体低损伤磨削加工,获得高质量表面,基于弹塑性接触理论和压痕断裂力学,通过分析单磨粒划擦作用下材料表面的变形过程,考虑材料的弹性回复、微观下力学性能的尺寸效应,建立了脆塑转变临界深度的预测模型,并计算得到YAG晶体的脆塑转变临界深度为66.7 nm。在此基础上,通过不同粒度砂轮超精密磨削YAG晶体试验对建立的脆塑转变临界深度预测模型进行验证,并计算不同粒度砂轮在相应工艺条件下的磨粒切深。结果表明,磨粒切深高于脆塑转变临界深度时,YAG晶体磨削表面材料以脆性方式被去除,磨削表面损伤严重;磨粒切深低于脆塑转变临界深度时,磨削表面材料以塑性方式被去除,能够获得高质量磨削表面,加工表面粗糙度达到1 nm。建立的脆塑转变临界深度预测模型能够为YAG晶体的低损伤超精密磨削加工提供理论指导。     

单颗金刚石磨粒切削氮化硅陶瓷仿真与试验研究

为探索氮化硅陶瓷单颗磨粒切削加工的机理,进行单颗金刚石磨粒切削氮化硅陶瓷的仿真与试验。选用截角八面体模拟金刚石磨粒,基于Johnson-Holmquist ceramic硬脆材料本构模型,采用有限元网格法进行单颗磨粒直线切削仿真,分析工件材料的切屑去除、划痕形貌、应力动态变化与分布、切削力变化等现象,以及工艺参数对切削力的影响。制备单颗金刚石磨粒工具,在平面磨床上进行单颗磨粒切削氮化硅陶瓷的试验,进一步分析划痕形貌、切削力的变化,并验证有限元仿真的正确性。研究表明,划痕光直平整,塑性隆起很少,边缘存在较大尺寸的破碎,划痕内有局部小尺寸的破碎;划痕的深度和宽度比磨粒的切削深度和宽度尺寸略大。应力与切削力存在动态波动。随着砂轮速度的增加,切向力和法向力减小;随着切削深度的增加,切向力和法向力增大。切削力比在4～6之间变化。     

碳化硅陶瓷的超声振动辅助磨削

采用普通磨削方式和超声振动辅助磨削方式对无压烧结SiC材料进行了磨削工艺实验,对不同磨削方式下磨削参数对磨削力比、表面损伤及亚表面损伤的影响进行了对比研究,并分析了超声振动磨削作用机制。实验结果显示,该实验中SiC材料去除主要以脆性去除为主,砂轮磨削力比随着磨削深度和进给速度的增加缓慢增加,随着主轴转速的增加略有减小;普通磨削时SiC工件亚表面损伤深度随着磨削深度、进给速度增加逐渐增加,而超声振动辅助磨削变化较小。与普通磨削相比,在相同的磨削参数下,超声振动辅助磨削的高频冲击使材料破碎断裂情况得到改善,且磨削力比减小近1/3,表面裂纹、SiC晶粒脱落、剥落等表面损伤较少,表面损伤层较浅,亚表面裂纹数量及深度都有较大程度降低,可以获得较为理想的表面质量。     

纳米结构陶瓷涂层磨削力的研究

对纳米陶瓷涂层材料在金刚石砂轮精密磨削过程中的磨削力(包括单位磨削面积磨削力和砂轮单颗磨粒磨削力)进行了研究,分析了砂轮磨削深度、工件进给速度、金刚石砂轮磨粒尺寸以及粘结剂类型等磨削参数对磨削力的影响规律.     

磨削用量对超声辅助磨削碳化硅效果的影响

超声辅助磨削是一种适于加工陶瓷等硬脆材料的先进复合加工技术。在超声振动方向垂直于加工表面的条件下,采用金刚石杯形砂轮对碳化硅陶瓷进行超声辅助磨削与普通磨削试验。对两种方法的磨削力、力比及加工表面粗糙度进行了对比分析,并讨论了磨削用量变化对两种方法在上述指标中差异程度的影响。结果表明,与普通磨削相比,超声辅助磨削可显著降低磨削力,但一定程度上将导致加工表面质量变差。随着磨削用量的增大,超声辅助磨削与普通磨削之间的差异逐渐减弱,超声辅助磨削效果逐渐消失。     

工程陶瓷磨削试验参数的合理选择

为了合理设计工程陶瓷磨削试验方案,从材料去除机理、单颗磨粒切削深度、砂轮表面磨粒突出高度等方面分析探讨了工程陶瓷磨削试验参数的选择依据。     

超声振动磨削氧化锆陶瓷表面损伤模型的实验研究

以压痕断裂力学模型和硬脆材料去除机理为理论基础,对氧化锆陶瓷的表面损伤进行研究,结合砂轮特征及磨削力公式建立了普通磨削和超声振动磨削的横向裂纹和表面破碎率模型,并对实验所得材料表面进行图像处理。结果表明：横向裂纹和表面破碎率随着磨削深度增大而增大,与普通磨削相比,超声振动磨削降低了45%裂纹长度,降低了23%表面破碎率,具有更完整的表面形貌特征。     

SiCf/SiC陶瓷基复合材料单颗磨粒磨削试验研究

对碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料（SiCf/SiC）进行了单颗磨粒磨削试验,研究了脆性去除模式下磨削中侧边崩碎规律。研究结果表明：磨削SiC基体时,基体内裂纹易引发磨削中大块侧边崩碎;磨削纤维时,侧边崩碎宽度随纤维与磨削方向夹角的增大而增大;磨削90°纤维时,提高磨削速度可减小侧边崩碎程度;以50 m/s和90 m/s的磨削速度磨削造成的侧边崩碎宽度比以20 m/s磨削时的侧边崩碎宽度分别小30%和60%;在试验参数范围内,增大磨削用量不会增大磨削中侧边崩碎程度,但可以提高材料去除率。     

Wear of diamond grinding wheel in ultrasonic vibration-assisted grinding of silicon carbide

It is recognized that grinding efficiency and ground surface quality are determined by grinding wheel performance. Additionally, the investigation on wear behavior is essential for evaluating the grinding wheel performance. There is a lack of research on the tool wear behavior during ultrasonic vibration-assisted grinding (UAG), whose grain motion trajectory differs from that in conventional grinding (CG). In the present work, CG and UAG tests of silicon carbide (SiC) were conducted in order to investigate the effects of ultrasonic vibration on the tool wear through tracking observation of grains. Meanwhile, the grinding forces and ground surface roughness correlated to the tool wear stages were studied. The results demonstrated that the main wear types during UAG were micro-fracture and macro-fracture which caused the wheel sharpening, while during CG, the main wear type was attritious wear that made the wheel blunt. As a result, UAG obtained lower and more stable grinding forces while slightly rougher ground surface in comparison with CG.     

SiCP/Al复合材料延性去除加工的有限元分析

以断裂力学的有关理论为依据,运用ABAQUS有限元分析软件研究在固定的磨削速度下,单个磨粒磨削单颗粒SiCp/Al复合材料的延性去除问题.结果表明:SiC颗粒所受到的拉伸应力和压缩应力都随磨削深度的增加而增大;SiC颗粒发生延性去除的极限切深为0.6μm,SiC颗粒发生延性去除时其最大压缩应力大于26GPa,同时最大拉...     

Study on the mechanism and the suppression method of wrinkling in side wall using hydroforming of the fairing

Ultrasonic assisted grinding (UAG) is an outstanding technology suitable to machine advanced ceramics. During UAG, the effect of ultrasonic vibration on grinding process is mainly determined by matching performance between grinding and vibration parameters in theory. However, this problem is still lack of deep study. With an objective to study the matching performance deeply, conventional grinding (CG) and UAG tests were conducted. The effects of grinding parameters on grinding force, ground surface profile wave, and ground surface roughness between UAG and CG were studied. The results showed that the grinding force, ground surface profile wave height, and ground surface roughness during UAG were reduced in varying degrees compared to CG. Additionally, the reduction percentage that means the effect of ultrasonic vibration on grinding process decreased significantly with increasing grinding speed while affected slightly by increasing of feedrate and grinding depth. To deeply analyze this variety law of the ultrasonic vibration effect during UAG, a matching performance equation referred to grinding wheel diameter, grinding, and vibration parameters is proposed. When the grinding speed increases from 1.26 to 31.5 m/s for feedrate of 100 mm/min and grinding depth of 5 μm, reduction percentage in grinding force for UAG compared to CG (K _F) decreases from about 20 to 4 % and in ground surface roughness (K _R) decreases from 35 to 4 %. With regard to the average difference height (Δh) between the UAG and CG profile waves, it decreases from 2.77 μm almost to zero.     

Cu-3镍铜合金砂带磨削试验研究

分析了Cu-3镍铜合金砂带磨削加工过程中,砂带粒度和磨削用量的不同对磨削加工效率、工件表面质量和砂带磨损的影响。采用氧化铝磨料砂带在不同的砂带线速度或磨削压力下对镍铜合金进行了工艺试验,对材料去除量、工件表面粗糙度和砂带磨损量进行了测量。研究表明:增加砂带线速度和磨削压力可在一定程度上提高材料去除率和磨削比;随着磨削压力的增大,工件表面粗糙度呈增大趋势;随着砂带粒度的增大,工件表面粗糙度呈减小趋势;砂带线速度为25m/s,磨削压力为43N,砂带粒度为P240时,镍铜合金综合磨削效果最好。     

TC4钛合金纵扭超声磨削力热耦合模型及其试验研究

为探究TC4钛合金纵扭超声磨削过程中的力热耦合机理,基于TC4钛合金纵扭超声磨削的磨削力模型、工件表面平均温度模型、质量热容计算表达式建立了其力热耦合模型,并对力热耦合作用下TC4钛合金纵扭超声单颗磨粒去除过程进行有限元仿真,分析磨削力、磨削温度的相互影响特性。理论与仿真研究发现,磨削区剧烈的温升会降低钛合金抵抗塑性变形的能力,抑制磨削力的增长速率。最后通过TC4钛合金纵扭超声磨削试验进行验证,结果表明,纵扭超声的引入能明显降低磨削力和磨削温度,磨削力和磨削温度的降低幅度分别达到19.39%和12.41%;磨削温度随着磨削深度、砂轮转速和工件进给速度的增大而升高,且随着磨削温度的升高磨削力增长趋势变缓;磨削力和磨削热的减小使工件表面塑性变形和犁沟两侧的塑性隆起高度减小;与普通CBN磨削相比,纵扭超声的引入对表面粗糙度的降低幅度可达到31.21%,在一定范围内增大超声振幅能显著提高加工表面的质量。