单颗磨粒超声辅助磨削SiC陶瓷材料去除机理

为研究不同磨削速度下超声振动作用对SiC陶瓷磨削过程中材料去除机理的影响,采用钎焊单颗金刚石磨粒工具,基于连续变磨削深度试验方法,在SiC陶瓷抛光表面开展了超声辅助磨削与普通磨削对比试验。结果表明,随着单颗磨粒磨削深度的逐渐增大,SiC陶瓷超声辅助磨削与普通磨削时的材料去除机理均经历了“塑性去除→脆-塑转变→大尺寸脆性断裂”的变化;在磨削速度为1 m/s时,相比于普通磨削,单颗磨粒超声辅助磨削可显著增大SiC陶瓷的脆-塑转变临界切厚及相应的磨削划痕横截面积,并减小切向磨削力与磨削比能;而随着磨削速度的增大,超声辅助磨削与普通磨削在单颗磨粒磨削划痕尺寸、磨削力之间的差异逐渐减弱。     

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。     

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。     

径向超声锯切系统的实现及其应用探索

超声加工为硬脆性材料零件制造提供了一种高效精密加工方式,随着对超声加工研究的不断深入,超声辅助加工的形式也越来越多,提出一种结合径向超声振动辅助超薄金刚石锯片进行光学玻璃材料锯切研究。利用Pro/E建模与有限元分析手段,对采用二级变幅杆来实现超声振动方向的轴-径向转变进行了设计和仿真,完成了径向超声振动锯切装置的设计制造,并利用该装置,进行了光学玻璃的锯切试验,探索径向超声振动中单颗磨粒最大切削厚度对锯切过程机理的影响,试验结果表明在超声锯切过程中,单颗磨粒最大切削厚度对锯切比能的影响并不显著,而传统锯切方式中锯切比能随之增大而减小,这与光学玻璃材料在锯切过程中的材料去除方式有着一定关系,超声锯切过程中材料更多以脆性断裂方式去除,同时,超声振动在锯切过程中减少了金刚石锯片与工件间的摩擦,从而降低其能耗。     

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。     

碳化硅陶瓷超声振动辅助磨削材料去除特性研究

为揭示碳化硅陶瓷超声振动辅助磨削材料去除特性,开展了光滑粒子流体动力学(SPH)单颗金刚石磨粒划擦仿真模拟,同时构建了超声振动划擦试验台,进行了单点金刚石超声振动划擦试验研究。结果发现:超声振动划擦中,材料去除根据切深的不同分为断续切削模式及连续切削模式;无超声作用划擦中的材料仅存在连续切削去除模式;超声振动作用的碳化硅陶瓷延性-脆性转移深度大于无超声作用下的延性-脆性转移深度。此外,通过碳化硅陶瓷超声内圆磨削试验结果同样发现超声振动作用下的延性-脆性转移深度变大,说明超声振动辅助磨削更容易实现延性域磨削。     

高体积分数SiCp/Al复合材料旋转超声铣磨加工的试验研究

由于大量高硬度增强相SiC颗粒的存在,高体积分数铝基碳化硅（SiCp/Al）复合材料的机械加工十分困难。旋转超声加工被认为是加工这种材料的有效方法。通过超声辅助划痕试验,分析高体积分数SiCp/Al复合材料旋转超声铣磨加工的材料去除机理。在超声振动的作用下,材料中铝基体发生塑性变形,其表面得到夯实;SiC增强相被锤击成细小的颗粒而发生脱落,形成较大的空洞。由于材料加工的缺陷大多产生于SiC颗粒的去除过程中,SiC颗粒的去除方式对加工表面的质量起着决定性的作用,选择合适的工艺参数可以有效提高加工表面质量。旋转超声加工工艺特征试验表明,超声振动可有效降低切削力;主轴转速对轴向切削力的影响最大,其次是进给速度,切削深度对轴向切削力的影响较小;另外主轴转速对表面质量的影响效果也最大,并随主轴转速的增大表面粗糙度增大。因此在加工过程中,可以适当加大切削深度,在保证加工质量的基础上,选择较大的进给速度,在保证刀具寿命的前提下,选择合适的主轴转速,以获得较优的加工表面质量和加工效率。     

基于单颗磨粒玻璃磨削机理的仿真研究

从仿真角度研究了单颗金刚石磨粒的磨削机理;建立了单颗磨粒磨削玻璃等脆性材料的仿真模型,在此基础上,通过有限元软件对不同磨削条件下的单颗金刚石磨粒的磨削过程进行了仿真。最后从最大拉应力、磨削力两个方面对仿真结果进行了分析,研究了砂轮线速度、磨削深度对最大拉应力和磨削力的影响。     

高比重钨合金超声椭圆振动切削去除机理研究

高比重钨合金作为一种难加工金属材料,其应用范围一直受限于其超精密加工水平。超声椭圆振动切削技术在高比重钨合金超精密切削加工中极具应用前景,通过切削去除机理研究,可推动其在高比重钨合金超精密切削领域中的应用。因此,首先对超声椭圆振动切削轨迹进行分析,结合瞬时剪切角变化,建立了超声椭圆振动切削弯矩及切削力模型,并基于上述模型,通过与常规车削相对比,对超声椭圆振动切削特性进行分析。然后,采用单晶金刚石刀具,进行高比重钨合金超声椭圆振动划擦实验和切削实验,并通过SEM、白光共聚焦显微镜、X射线残余应力分析仪等设备对材料塑脆特性、切屑厚度、切削表面残余应力及切削表面加工损伤等进行检测与分析。理论分析与切削实验表明,与常规车削相比,超声椭圆振动切削下材料去除尺度由微米量级减小为纳米量级,高比重钨合金表现出更强的塑性;随着剪切角变化,超声椭圆振动切削在材料去除过程中,会产生更大的向下的分力,在切削表面留下更大的残余应力;超声椭圆振动切削下,切削方向与材料断裂方向更为一致,结合锋利的单晶金刚石刀具,有利于实现高比重钨合金超精密切削。     

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。     

超声振动精密铣削钛基复合材料试验研究

采用单因素法制定试验方案,对原位合成法制备的钛基复合材料用PCD铣刀在超声振动和普通铣削工况下进行高速铣削试验,通过铣削力、表面微观形貌及粗糙度、刀具磨损形态和机理研究该材料的加工特性。结果表明：超声振动铣削可以显著减小三向铣削力,原因是超声振动提高了系统的刚度。试验方案中存在着最佳铣削速度,在最佳铣削速度切削时会产生较小的切削力、适合的切削温度,有利于增强相被PCD刀具直接切断、晶须原位压入或向切削方向发生转动,从而在加工表面上明显减少微细划痕、犁沟、微孔洞、基体撕裂或熔融堆积等缺陷,获得纳米级的加工表面。PCD刀具前后刀面都没有月牙洼磨损产生,而是以犁沟状的磨损形态为主,机理是磨料磨损。     

轴向功率超声珩磨力学模型的建立及仿真

功率超声珩磨技术在发动机缸套的精密加工中能够得到较好的表面质量,其中珩磨力的大小与超声振动特点有关,是影响工件材料去除、磨削热及表面质量的重要因素之一。基于超声珩磨材料去除机理,考虑了油石表面磨粒分布规律,建立了包括材料切屑变形和磨粒与工件摩擦两种情况的超声珩磨力学模型。由力学模型仿真结果可知:功率超声珩磨磨削力与加工参数及加工过程中材料物理变化均有关,特别是材料应变率效应更加明显;在相同加工条件下,超声珩磨磨削力比普通珩磨平均降低50%以上,并且法向力与切向力比值增大,有利于材料的去除;超声振动能够减小磨粒与工件的平均动态摩擦系数,从而减小平均切向摩擦力大小,有利于提高工件表面质量;珩磨深度较主轴转速对珩磨力影响更大,当主轴转速高于620 r/min时,珩磨力开始逐渐减小。     

SiCp/Al复合材料在常规与超声振动辅助条件的切削过程和表面形成的有限元分析

SiCp/Al复合材料是一种典型的难加工的材料,由于其基体中颗粒增强导致常规切削中加工质量差、切削阻力高、加工损伤高,机械加工性差,常规切削已不能满足加工要求。通过切削仿真,对比分析常规与超声振动辅助切削条件下复合材料的切削过程、SiC颗粒的损伤特性、工件的表面形貌与亚表面损伤。结果表明,相比于常规切削,超声振动辅助切削可以提高复合材料的表面完整性,减少复合材料的亚表面损伤,并且能够提高工件的表面质量。     

超声辅助金刚石线锯切割硬脆材料的研究

金刚石线锯切割硬脆材料时具有切缝窄、柔性好等优点而广为应用,通过添加超声振动装置更能显著提高加工效率及降低表面粗糙度。介绍了金刚石线锯超声复合加工系统的具体结构及超声添加方式,分析了横向和纵向两种不同超声激励下线锯的有效切割过程,对金刚石磨粒的切削运动过程进行了分析研究,建立了单颗磨粒去除模型,总结了超声振动对线锯切割加工的影响因素。     

超声振动辅助抛光材料去除机理研究

超声振动辅助抛光是一种特种精密加工方法，其材料去除过程包含机械、物理、化学等多种因素，研究材料去除机理具有重要意义。对超声流场及超声流场作用下单颗磨粒对工件表面冲击作用进行仿真，分析超声流场作用下抛光过程的材料去除机理。仿真分析表明，在超声作用下，流场产生极强的横向剪切流，横向剪切流携裹着磨粒对工件表面产生冲击作用，从而实现材料去除。材料去除量与磨粒冲击角有关，磨粒冲击角越大，材料去除量越大。随着抛光的进行，工件表面逐渐趋于平整，磨粒冲击角也随之减小，逐渐趋于0°,此时不再有材料去除，工件抛光完成。     

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。     

超声振动钻削SiCp/Al的表面形成机理研究

采用超声振动辅助对SiCp/Al进行钻削加工,研究了超声振动条件下钻削加工的表面形成机理,讨论了超声振动辅助实现表面质量改善的工艺条件,并分析了表面缺陷的主要形式及其形成机理。结果表明:采用超声振动钻削加工能明显改善表面粗糙度和表面形貌,减少表面缺陷;在高钻削速度和大振幅超声振动的条件下,能在钻削过程中形成表面磨抛效应,进而显著改善孔表面质量;超声振动钻削中表面缺陷的主要形式有涂抹、耕犁、划痕、凹坑以及粘附。     

垂直于工件平面的二维超声振动辅助磨削单晶硅表面形成机制的试验研究

通过单晶硅磨削试验以及单颗金刚石磨粒划擦试验,分析垂直于工件平面的二维椭圆超声振动磨削单晶硅的表面形成机制.椭圆超声振子由压电陶瓷晶体与金属弹性体粘接制成,其伸缩模态和弯曲模态频率相同,当输入具有一定相位差的两个交流电压信号时产生二维椭圆振动.试验结果表明,由于二维椭圆振动的施加改变了单晶硅的材料去除机制,加工表面质量明显提高,表面粗糙度显著降低,磨削沟槽变浅而宽,切屑变厚而短,单晶硅材料延性域去除比例增加;通过改变超声振动振幅与磨削深度之间大小关系,可实现磨削刃对工件的连续性接触去除和断续性接触去除两种模式的转变.     

超声振动辅助固结磨粒抛光硅片表面形成机理及实验

基于超声加工所具有的加工效率和加工表面质量高等特性,提出了一种超声振动辅助固结磨粒化学机械复合抛光硅片新技术。对抛光工具及复合抛光实验系统的建立进行了描述,在此基础上开展硅片抛光表面形貌及材料去除机理的理论及实验研究,得到不同抛光力下的研究结果。所建立的理论模型及实验结果表明,超声振动辅助固结磨粒抛光有利于硅片表面质量及材料去除率的提高,且随着抛光力的增大,抛光表面质量下降,材料去除效果提高。     

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。