涂层微磨具的磨损机理仿真与试验研究

阐明了涂层微磨具磨削过程中的磨粒磨损机制,建立未涂层微磨具单磨粒磨损数学模型,得到了磨损体积随时间变化的函数关系。并采用仿真和试验结合的方法研究了涂层与未涂层微磨具在相同条件下,分别改变磨削深度,磨削线速度观察相应磨削温度,磨削力和磨损深度的变化。结果表明:随着磨削深度的增加,涂层与未涂层微磨具磨削温度,磨削力和磨损深度均显著增加;磨削线速度增大时,涂层和未涂层微磨具磨削力有减小的趋势而磨削温度和磨损深度增大,但与磨削深度的影响相比并不显著。上述研究为涂层微磨具的研究提供了理论和现实依据。     

超声辅助磨削碳化硅陶瓷的工具磨损试验研究

为探究超声辅助磨削过程中不同工具的磨损特征,采用电镀和钎焊两种金刚石磨头对碳化硅陶瓷进行了超声辅助磨削和普通磨削对比试验,研究了超声振动作用、工具类型对磨粒磨损形式及其变化过程的影响,在此基础上分析了磨粒磨损形式对工件表面质量的影响.试验结果表明:对于电镀磨头,普通磨削和超声辅助磨削过程中的磨粒磨损形式均以磨耗磨损和宏观破碎为主,超声振动作用可有效改善加工表面质量;而对于钎焊磨头,普通磨削的磨粒磨损形式主要是磨耗磨损和宏观破碎,超声辅助磨削的磨粒磨损形式主要是磨耗磨损和微破碎,初始阶段超声振动作用可改善表面质量,但随着磨削行程的增加,微破碎形式的占比增高,超声辅助磨削时的工件表面粗糙度值高于普通磨削时的工件表面粗糙度值.     

杯形CBN砂轮端面磨削的自锐过程分析及磨削效果改善

以曲线沟槽的磨削加工为目的 ,本文对金属结合剂杯形小直径 CBN砂轮端面磨削沟槽底面时的砂轮自锐 (Self- dressing)过程进行了研究。金属结合剂杯形小直径 CBN砂轮的自锐行为表现为磨粒磨损后的破碎产生新切削刃 ,磨钝磨粒的脱落和砂轮结合剂被磨屑去除产生新磨粒 ,保持了砂轮工作面上磨粒密度的相对稳定 ,维持了砂轮的锋锐性。通过提高砂轮硬度以期减缓磨粒脱落 ,增加单个磨粒的服务期限 ,试验结果表明已加工表面粗糙度 Rz小于 3.5 μm,砂轮磨损减小了 40 % ,磨削过程稳定 ,取得了良好的磨削效果     

新型小直径端面CBN砂轮开发及其磨削性能研究

基于电镀小直径端面CBN砂轮磨削沟槽的试验结果,为减小沟槽底面与侧面过渡圆弧半径,开发了一种新型小直径端面CBN砂轮,在试验研究其磨削性能的基础上提出了改善措施,取得了良好的磨削效果。新型端面CBN砂轮加工沟槽的过渡圆弧半径达到0.2mm以下,比电镀CBN砂轮减小60%以上。新型端面CBN砂轮磨削过程中,由于有效CBN磨粒发生的后面磨损及其破碎,使磨粒切削刃凸出高度降低,而砂轮表面所有CBN磨粒均先后依次成为有效磨粒,因此提高单个CBN磨粒的耐磨性和韧性,减小破碎,是提高新型CBN砂轮寿命的有效措施。选用多晶强韧的CBN磨粒(通用电器GE550型产品)使砂轮寿命提高到了原来的6.75倍。     

金属结合层包覆单列磨粒小直径CBN砂轮端面磨削过程研究

金属结合层包覆单列磨粒小直径CBN砂轮在端面磨削过程中突出高度不同的CBN磨粒相继发生后面磨损、切削刃破碎和脱落,产生了砂轮自锐效应。砂轮磨削力呈现低频起伏和高频波动变化的特征,这是由于磨削过程中CBN磨粒后面磨损钝化使磨削力增大以及随后磨钝磨粒破碎变得锐利使磨削力减小的综合作用结果。砂轮磨削过程受到CBN磨粒性能及其切削刃状态的支配,多晶强韧CBN磨粒(BORAZON550,GE产品)耐磨性改善、磨粒微细破碎保持了砂轮的锐利性,延长了单个磨粒服务时间,突出高度不同的磨粒加入磨削过程的批次效应显著,磨削力低频起伏明显,单晶CBN磨粒(BORAZON500,GE产品)破碎范围大有效降低了磨粒切削刃突出高度、新磨粒加入磨削的过程具有连续性,磨削力高频波动明显。     

单颗粒金刚石划擦工程陶瓷的断裂强度研究

为揭示磨削加工中砂轮单个磨粒对工程陶瓷断裂强度的作用规律,利用单颗粒金刚石磨具划擦模拟砂粒实际磨削过程。采用不同顶锥角与尖端圆弧半径的自制金刚石颗粒,改变划擦用量和冷却工况,划擦几种典型陶瓷材料表面并分析颗粒划擦作用对试件断裂强度的影响。结果发现,试件划擦后断裂强度随磨粒顶锥角和尖端圆弧半径的增大而提高;随工作台进给速度和划擦深度增加逐渐降低;与湿式划擦相比,干式划擦使陶瓷试件断裂强度趋于劣化。该变化规律符合磨削加工对试件强度特性的影响机制,证明单颗粒金刚石划擦试验的有效性。     

CBN砂带恒压力磨削玻璃钢试验

针对玻璃钢易切除、易烧伤的特点,采用3种不同粒度的CBN砂带对玻璃钢进行恒压力砂带磨削实验,分析了在磨削过程中不同的砂带粒度和磨削用量对砂带磨损和工件表面质量的影响。在磨粒切削加工模型的基础上,通过观察磨削前后玻璃钢表面微观形貌分析了玻璃钢的磨损机理。通过正交试验得到:随着砂带线速度和粒度号的增大,玻璃钢表面粗糙度呈减小趋势;材料去除率会随着砂带线速度和磨削压力的增加而增大,当砂带线速度v_s=25 m/s,磨削压力F=56N,粒度P=180#时,磨削效果达到最好。     

钠钙玻璃微磨削表面粗糙度试验研究

针对硬脆材料钠钙玻璃进行了一系列的微尺度磨削试验研究,主要探讨不同磨削因素对工件加工表面质量的影响。从理论上探讨微尺度磨削的加工机理,研究微磨削过程中的最大未变形切屑厚度、工件的弹性恢复等对加工过程的影响。根据微尺度磨削加工的特点,选用不同的加工参数对钠钙玻璃材料进行正交试验和单因素试验,得到微磨削加工后工件表面粗糙度变化的一般规律。针对200号与500号两种磨粒微磨棒进行试验研究,得出不同加工条件与工件表面粗糙度的关系,进而确定不同加工参数对表面质量的影响规律。     

单晶材料微磨削表面粗糙度与磨削力实验研究

为了探究微磨削对单晶DD98表面粗糙度与磨削力的影响,采用磨粒为500#和磨头直径为0.9mm的磨棒对单晶DD98进行微磨削实验。首先,设计三因素四水平正交实验,通过极差分析得到磨削参数在一定范围内对表面粗糙度影响的主次顺序,其中磨削深度影响最大,主轴转速次之,进给速度最小;并获得最优工艺参数水平组合:主轴转速为60000r/min,磨削深度为6μm,进给速度为20μm/s。其次,对单因素实验进行微磨削实验,得到在一定范围内,得到表面粗糙度值和磨削力值都随主轴转速的增大、磨削深度的减小、进给速度的减小而减小,并对这种影响规律进行分析。为单晶DD98的微磨削提供了重要的理论基础。     

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。     

微细磨削技术及微磨床设备研究现状分析与探讨

采用微磨床及微磨具的微细磨削技术,可以实现多种材料复杂形状三维微小零件的加工,且设备体积小、能耗少、成本低,已受到国内外研究人员的广泛关注。但是目前微细磨削技术的研究还处于起步阶段,在微细磨削机理、微磨床及微磨具等方面存在大量问题需要解决。因此非常有必要深入分析微细磨削技术的研究现状、存在的问题及发展趋势。明确了微细磨削技术的内容范畴;全面总结了微细磨削机理及工艺、微磨床及其关键部件、微磨棒等方面的研究现状;在此基础上,深入探讨了微细磨削技术在磨削机理及工艺、微磨床和微磨棒等方面存在的基础性问题,并进一步指出微细磨削技术还应关注其向多种材料应用、复合化加工、高效高精及智能化柔性化的发展方向,以期促进微细磨削技术在我国的推广应用,提升我国超精密微小零件的加工制造水平。     

铝合金Al6061微尺度磨削力热特性试验分析

微磨削加工是微尺度加工领域的一种重要的加工方法。基于铝合金Al6061建立微磨削力热特性的理论模型。设计铝合金Al6061材料的微磨削单因素试验,分析试验结果得出不同磨削参数对微磨削力和磨削温度影响规律。针对不同的磨削深度,研究微磨削表面温度和表面下不同深度位置的温度分布情况,并对加工表面进行热烧伤检测。根据试验数据结果对所建立微磨削力和微磨削温度的理论模型的准确性进行了验证,并通过试验测量得到微磨削后最高表面温度为78.5 ℃。试验研究结果也为进一步研究零件表面完整性和提高零件表面质量提供重要依据。     

弹性球头油石磨抛接触微作用力分析研究

基于弹性油石微观形貌特点,在假设磨粒为正态分布的基础上,对油石微磨磨抛力进行了理论推导和分析。分析了油石的瞬时变形反馈和再生变形反馈对磨抛力的作用,得到了磨抛深度与油石变形量等参数之间的关系。实验结果证明,微磨磨抛力模型计算与实测较为接近。     

微拱形阵列导光板快速热压成型与微光学应用

微透镜阵列热压精密成型需要时间保温,生产效率较低。因此,提出在模芯加热表面的微沟槽阵列上对聚合物导光板进行热压,使工件热变形的微米尺度表面层流入微沟槽空间内,快速形成微拱形透镜阵列,而保证工件主体不变形。目的是实现高效率和低能耗的微光学透镜阵列热压成型加工。首先,针对导光板表面的微阵列结构和尺寸分析其微光学性能;然后,使用微磨削技术在模芯表面加工出高精度和光滑的微沟槽阵列结构;最后,研究微拱形阵列的快速精密成型工艺及微光学应用。微光学分析显示,微阵列的高度和分布密度对出光面的光照度影响较大。热压工艺实验结果表明,采用深度为104μm和角度为121°的微沟槽阵列模芯,在12 MPa的压力和110℃的温度下,可以在3s内将高度为50μm的3D微拱形阵列导光板快速精密热压成型。本文方法制作的87mm×84mm的导光板,与市面具有2D点阵且高度为8.2μm的丝网印刷导光板相比,光照度提高了21%,光照均匀度提高了27%。本文研究将促进微光学精准设计和制造在LED照明产业的应用。     

Modeling and evaluating of surface roughness prediction in micro-grinding on soda-lime glass considering tool characterization

The current research of micro-grinding mainly focuses on the optimal processing technology for different materials. However, the material removal mechanism in micro-grinding is the base of achieving high quality processing surface. Therefore, a novel method for predicting surface roughness in micro-grinding of hard brittle materials considering micro-grinding tool grains protrusion topography is proposed in this paper. The differences of material removal mechanism between convention grinding process and micro-grinding process are analyzed. Topography characterization has been done on micro-grinding tools which are fabricated by electroplating. Models of grain density generation and grain interval are built, and new predicting model of micro-grinding surface roughness is developed. In order to verify the precision and application effect of the surface roughness prediction model proposed, a micro-grinding orthogonally experiment on soda-lime glass is designed and conducted. A series of micro-machining surfaces which are 78 nm to 0.98 ~tm roughness of brittle material is achieved. It is found that experimental roughness results and the predicting roughness data have an evident coincidence, and the component variable of describing the size effects in predicting model is calculated to be 1.5x 107 by reverse method based on the experimental results. The proposed model builds a set of distribution to consider grains distribution densities in different protrusion heights. Finally, the characterization of micro-grinding tools which are used in the experiment has been done based on the distribution set. It is concluded that there is a significant coincidence between surface prediction data from the proposed model and measurements from experiment results. Therefore, the effectiveness of the model is demonstrated. This paper proposes a novel method for predicting surface roughness in micro-grinding of hard brittle materials considering micro-grinding tool grains protrusion topography, which would provide significant research theory and experimental reference of material removal mechanism in micro-grinding of soda-lime glass.     

Efficient microspark erosion-assisted machining of a monocrystalline microdiamond stylus using a heat-avoidance path

Monocrystalline diamond possesses covalent bonding making diamond extremely hard and difficult to machine. In this study, a microdiamond stylus typically used in measuring surface roughness is machined to exemplify the proposed ‘microspark erosion-assisted machining with heat-avoidance path’ technique. Based on the high thermal conductivity and weak electrical conductivity of boron-doped monocrystalline diamond, high-frequency pulsed discharge plasma is employed to efficiently perform microspark erosion machining on an extremely hard monocrystalline diamond blank. It was found that the pulse-on time and servo voltage respectively affect erosion plasma length and the erosion gap during diamond machining. Also, the safety distance and safety height of the erosion path dominate heat transfer to filler metal. These factors all affect the firmness of the brazed diamond blank on the substrate. Three mechanisms for removing carbon atoms from the diamond blank surface were observed. They are vaporization, melting, and graphitization of carbon atoms. This graphitized carbon atoms have weak electrical conductivity, which is conducive to inducing the wire-electrode to generate a greater electric field and secondary discharging, facilitating removal of additional carbon atoms. Experimental results indicate that a microdiamond stylus prototype with a tip of 10 μm can be safely formed using a ‘microspark erosion-assisted machining with heat-avoidance path’ technique, creating 93.7% repeatability of the minimum residual stylus diameter. The tangential micro-grinding facilitates the stylus tip to receive grinding from the grinding wheel's maximum tangential speed and create the precision microdiamond stylus with 1 μm in tip-radius. The applied microspark erosion-assisted machining had a diamond material removal rate that was 54% more efficient than conventional grinding of a commercial microdiamond stylus. The formed microdiamond stylus was inspected by Raman spectroscopy and verified by the surface roughness standard gauge to be up to industry standards.     

导光均光微槽透镜阵列精密磨削及其热压微成型

薄壁LED照明依赖丝网印刷的微阵列导光板,但其表面油墨点阵易老化,且微结构很难优化。因此,在导光板表面设计出高斯分布的空间微槽透镜阵列,并采用数控微磨削技术对其进行加工,替代市面丝网印刷的2D微圆阵列。首先,用微光学原理模拟导光板导光效率和出光均匀度,优化微透镜阵列的形状、尺寸和分布。利用金刚石砂轮微尖端在PMMA导光板表面精密磨削出微透镜阵列,检测其导光效率及均匀性。最后,利用微磨削加工的微阵列成型钢模芯开发微透镜阵列的快速热压微成型工艺。微光学分析表明,微槽透镜阵列比微方形透镜阵列和微半球透镜阵列分别提高导光效率6%和15%。而且,微槽透镜阵列变间距高斯分布比等间距分布提高导光效率32%,提高出光均匀度73%。试验结果显示,微磨削可以控制微槽透镜阵列加工的表面质量和形状精度,应用于LED导光板后比丝网印刷的导光板提高导光效率7%和出光均匀度9%。此外,开发3 s的快速热压微成型工艺,可以加工出变间距和变深度的微槽透镜阵列,比丝网印刷的微圆阵列提高照度26%和出光均匀度49%。因此,微空间结构优化的微槽透镜阵列比丝网印刷的2D微圆阵列可附加出更高的微光学应用价值。     

光纤石英玻璃基板微V槽阵列的精密磨削

针对脆性石英玻璃的微加工,利用自主研发的金刚石砂轮微尖端修整工艺,研发了光纤阵列石英玻璃微V槽磨削技术。分析了60°的微V槽形状偏差对光纤耦合损耗的影响,然后,研究了砂轮微尖端的误差补偿修整工艺。最后,实验分析了微V槽的磨削精度。理论分析显示:微V槽角度、间距和宽度的偏差分别控制在±0.42°、±1.04μm和±1.2μm以内时,耦合损耗小于0.5dB。实验结果表明:开发的数控磨削工艺可加工高精度的60°微V槽阵列;采用数控轨迹和角度补偿修整后,砂轮微尖端半径可平均达到10.46μm,角度精度为(60±0.22)°;对石英玻璃进行微磨削后,微V槽的角度偏差达到0.4°,尖端半径为10.5μm,宽度偏差为0.3μm,间距偏差为0.5μm,可保证光纤阵列的精密对接。