超声振动磨削纳米氧化锆陶瓷材料的磨削力及表面残余应力的研究

纳米陶瓷由于其相对于工程陶瓷优越的力学性能及物理特性,在各行业都有广泛的应用前景。采用超声复式加工方法,针对不同的磨削参数对纳米ZrO2陶瓷进行了普通和超声磨削实验,研究了磨削参数对磨削力的影响,并通过X射线衍射分析了在普通和超声磨削状态下对工件表面残余应力及纳米ZrO2陶瓷各晶相的影响。研究结果表明:利用超声振动磨削能有效减少磨削力,不同的磨削方式对纳米ZrO2陶瓷表面残余应力影响较大,采用普通磨削工件表面残余应力为拉应力,当超声振动方向平行于砂轮速度方向时,工件表面残余应力为压应力,振动方向垂直于砂轮速度方向时工件表面残余应力绝对值较小。     

超声振动辅助ELID磨削淬硬12Cr2Ni4A合金钢表面特性的研究

目的 提高淬硬12Cr2Ni4A钢的加工质量,消除工件表面残余应力.方法 采用普通磨削(OG)、超声振动辅助磨削(UVAG)以及超声振动辅助ELID磨削(UVAEG)3种磨削方式,分别对淬硬12Cr2Ni4A合金钢进行加工,分析3种加工方式下被加工工件的表面粗糙度以及残余应力.结果 在超声振动辅助磨削、超声振动辅助ELID磨削下,工件表面粗糙度都低于普通加工,而超声振动辅助ELID磨削后的工件表面质量最高,相对普通磨削加工,超声振动辅助ELID磨削后的表面粗糙度降低了66％,相对于超声振动辅助磨削,超声振动辅助ELID磨削后,表面粗糙度降低了约41％.对工件表面进行残余应力测定发现,普通磨削加工后工件表面为残余拉应力,而超声振动辅助磨削、超声振动辅助ELID磨削后的工件表面都产生了残余压应力,超声振动辅助ELID磨削后,工件表面的残余压应力高于超声振动辅助磨削约30％.普通磨削加工中,随磨削深度的增加,残余拉应力一直变大,而超声振动辅助磨削和超声振动辅助ELID磨削的残余压应力总体呈现减小的趋势.在磨削深度达到22.5μm后,超声振动辅助磨削加工表面的残余压应力转变为残余拉应力.在超声振动辅助磨削和超声振动辅助ELID磨削后,随超声振幅的增大,表面残余压应力增大,超声振动辅助ELID磨削表面的残余压应力随占空比的增大而增大.结论 超声振动辅助ELID磨削加工后,能得到更小的表面粗糙度及更大的表面残余压应力.     

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。     

TC4钛合金纵扭超声磨削表面残余应力及其试验研究

目的 探究纵扭超声磨削工艺参数对TC4钛合金加工表面残余应力状态的影响规律,提高TC4钛合金的抗疲劳性能.方法 通过纵扭超声磨削力模型,对磨削过程中的机械应力和热应力展开理论分析,并进一步建立纵扭超声磨削表面残余应力模型,通过MATLAB仿真获取磨削加工残余应力分布状况.基于力-热耦合作用,建立纵扭超声单颗磨粒磨削有限元模型,分析磨削参数对残余应力的影响规律,并通过TC4钛合金纵扭超声磨削试验,对模型的合理性进行验证.结果 TC4钛合金超声磨削加工表面残余应力为残余压应力,且该应力沿工件深度方向的分布曲线与"对号"相似.工件表面残余压应力起初随磨削深度增加逐渐增大,当磨削深度增加到8μm时,残余压应力达到最大值,为-488 MPa,之后随磨削深度的增加,呈现减小趋势.随磨削线速度的增大,残余压应力整体呈现减小趋势,随纵扭超声振幅的增大,整体呈现增大趋势.加工表面残余应力仿真与试验结果的平均误差为9.8％,且变化趋势具有一致性.结论 纵扭超声辅助磨削加工可有效消除加工表面的残余拉应力,并获得较为理想的残余压应力,进而显著提高TC4钛合金的抗疲劳性能.     

20CrMnTi磨削表面质量试验研究

为了探讨磨削工艺参数对20CrMnTi磨削表面质量的影响,采用CBN砂轮开展单因素磨削试验,选取表面洛氏硬度H、表面残余应力σ_s和亚表面残余应力分布σ_ss作为指标,通过试验分析20CrMnTi的磨削加工特性。试验结果表明:相同条件下,H随着砂轮线速度v_s和磨削深度a_p的增大而减小,随着工件进给速度v_w的增大而增大,且a_p的影响最大、v_w的次之、v_s的最小;磨削后工件表面表现为残余压应力,压应力σ_s的大小(绝对值)随着v_w增大而增大,随着a_p增大而减小,随v_s增大呈现波动;磨削后工件的σ_ss随着a_p增大逐渐由压应力转变为拉应力,最后趋于0;在小v_s和较小a_p时,在相同亚表面深度情况下可以获得更大的压应力或者更小的拉应力。在本试验所讨论的参数范围内,v_s=60 m/s,v_w=1.045 m/s,a_p=3 μm时可以获得较高H和残余压应力以及较好的σ_ss,即20CrMnTi磨削加工质量较好。      

CBN砂轮磨削深度对渗碳淬火钢表面质量的影响

用CBN砂轮对渗碳淬火20Cr钢进行了磨削试验,研究了不同磨削深度对工件表面层硬度、残余应力、表面形貌及组织的影响.结果表明,工件表面质量是由砂轮磨削时产生的磨削力和磨削热对工件共同作用的结果,随磨削深度的增加,表层硬度逐渐降低,残余应力由压应力转化为拉应力;当磨削深度为0.15 mm时,工件严重烧伤,组织由回火马氏体转化为屈氏体,组织内部产生空洞,表面出现微裂纹.     

高速磨削对18CrNiM07-6表面完整性的影响研究

目的对试件表面粗糙度和残余应力进行分析,为研究高速磨削齿轮材料表面完整性提供试验依据,并对齿轮材料高速磨削工艺进行深入探讨。方法选择以平面磨削为主要研究方式,根据Salomon理论和高速磨削理论,提出以单因素法对齿轮材料18CrNiMo7-6进行高速磨削工艺试验,试验变量为砂轮线速度、磨削深度和工作台速度,以此得到了高速磨削工艺参数与表面完整性(主要为表面粗糙度和残余应力)之间的关系。结果齿轮材料18CrNiMo7-6的表面粗糙度随砂轮线速度的增大、磨削深度和工作台速度的降低而得以改善,用三维粗糙度表征法可以准确地评定工件表面形貌。试验得到砂轮线速度对残余应力的影响最大,磨削深度次之,工作台速度的影响较小。除V_s=160 m/s外,经高速磨削的渗碳淬火18CrNiMo7-6试件表面残余压应力值得到提升。结论通过分析高速磨削对表面完整性的影响,可得到该研究材料的最优磨削参数组合为:V_s=120 m/s,V_w=4 m/min,a_p=0.02 mm。在此磨削参数下,试件的残余压应力值最大,将有利于提高试件表面完整性。     

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vs、工件转速nw、砂轮径向进给速度vfr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...     

二维超声磨削复相陶瓷加工表面质量的试验研究

本文通过对二维超声磨削纳米复相陶瓷和普通磨削进行对比试验研究,分析了磨削深度、工件速度、砂轮粒度对工件表面质量的影响.研究结果表明,采用二维超声振动磨削能大大提高工件的表面质量;表面粗糙度随着切深的增大而增大,随着切削深度的进一步增加,超声振动在磨削加工中所起的作用减弱;二维超声振动磨削大大扩大了复相陶瓷磨削的塑性加工区域,二维超声振动磨削过程的塑性域是切削深度小于5μm,而普通磨削塑性域是磨削深度小于2μm;二维超声振动磨削时,表面粗糙度随着砂轮粒度的减小而明显减小,且比较稳定,故二维超声振动磨削有利于使用细粒度砂轮;工件速度对二维超声振动磨削表面粗糙度影响很大,其值随着工件速度的增加而增大.     

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nw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210mm/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。     

小直径砂轮超声振动磨削SiC陶瓷的表面质量研究

用小直径砂轮超声振动磨削和普通磨削加工SiC陶瓷零件,对比研究砂轮线速度、工件进给速度、磨削深度和超声振幅对其磨削表面质量的影响。结果表明:与普通磨削相比,超声振动磨削的磨粒轨迹相互交叉叠加,工件表面形貌更均匀,表面质量更好。由于超声振动时的磨粒划痕交叉会使磨粒产生空切削,因而降低了其磨削力,使磨削过程更加稳定。超声振动磨削的表面粗糙度和磨削力随砂轮线速度和超声振幅的增加而降低,随工件进给速度和磨削深度的减小而降低。且砂轮线速度、工件进给速度较小时,超声振动磨削的效果更明显。      

GH4169超声辅助磨削表面完整性研究

为研究超声辅助磨削对GH4169表面完整性的影响,开展GH4169超声辅助磨削与普通磨削加工试验,研究超声振动及磨削参数对其显微硬度、残余应力与微观组织的影响。结果表明:GH4169磨削表面层均产生加工硬化与残余压应力,并生成晶粒细化层;与普通磨削相比,超声辅助磨削增大其表面层显微硬度,同时增加其表面层残余压应力与晶粒细化层厚度。砂轮转速增加使显微硬度最大值先减小后增大,残余压应力与晶粒细化层厚度增加;磨削深度增加使显微硬度最大值、残余压应力与晶粒细化层厚度同时增加;且位错密度的变化趋势与显微硬度变化趋势一致。      

二维超声振动辅助磨削氧化铝陶瓷的磨削力对比研究

冲击力、材料硬度的变化以及超声振动的施加方式是磨削力降低的主要原因。在普通磨削的基础上加入二维超声振动,分析磨削力的影响机制,在相同的磨削参数条件下,对氧化铝陶瓷进行普通磨削和二维超声振动磨削对比实验研究,分析工件进给速度、砂轮线速度、磨削深度对磨削力的影响。结果表明：二维超声磨削的法向、切向磨削力均小于普通磨削,磨削力降幅随着工件进给速度和砂轮线速度的增大而减小,随着磨削深度的增大而增大;普通磨削和二维超声磨削的法向、切向磨削力均随着工件进给速度和磨削深度的增大而增大,随着砂轮线速度的增大而减小。     

凸轮型面摆动磨削残余应力有限元建模及分析

为分析摆动磨削工艺参数对表面残余应力的影响规律,基于热-力顺序耦合理论,建立基于温度场的凸轮残余应力有限元仿真模型,研究摆动频率、摆动幅度、砂轮线速度、磨削深度、工件转速、砂轮宽度、砂轮直径等工艺参数对凸轮型面残余应力的影响规律。结果表明：残余应力随工件转速、磨削深度、砂轮线速度的增加而增加,随砂轮宽度的增加先增加然后趋于平缓,随砂轮直径的增加而减少,随摆动频率与摆动幅度的增加而缓慢增加。     

二维超声振动磨削纳米复相陶瓷的表面粗糙度研究

本文对纳米复相陶瓷材料进行了不同参数下的普通磨削和二维超声振动磨削的对比试验,研究了超声振动磨削对工件表面质量的影响,分析了不同的加工工艺参数及振动参数对加工工件表面粗糙度的影响,实验结果表明,在同样的切深条件下,超声振动磨削表面的沟槽浅而宽,可以得到比普通磨削加工粗糙度较小的加工表面,且在超声振动中砂轮作高频振动,砂轮不易堵塞,利于使用细粒度砂轮磨削;工件速度对二维超声振动磨削表面粗糙度影响很大,其值随着工件速度的增加而增大。二维超声振动磨削可以提高陶瓷材料的表面质量,并能有效地避免普通磨削下微裂纹的产生,因此它是磨削陶瓷的一种精密加工方法。     

超声振动珩磨表面残余应力数值模拟研究

目的磨削产生的残余应力对工件表面特性有重要影响,超声振动珩磨使磨粒具有极大的加速度而改变了材料去除机理,研究超声振动对工件表面残余应力的影响及产生机理。方法分析残余应力形成有限元理论,建立基于热弹塑性有限元法的超声振动单颗CBN磨粒切削40Cr Ni Mo A热力耦合有限元模型,并设置两次切削、卸载、约束转换及冷却等分析步。通过数值模拟得到不同振动参数下表面残余应力的分布情况,并对模拟结果进行分析。结果有限元计算得到的各分析阶段应力分布存在差别,超声振动参数设置达到仿真要求;对磨粒施加超声振动后珩磨力下降约26%,珩磨热降低约17%,切向残余压应力有所减小,垂直珩磨速度方向拉应力减小并向压应力转变。结论超声振动使珩磨力和珩磨热有一定程度降低从而改变了残余应力的分布及数值;振动频率在20 k Hz波动时对残余应力的影响不大;磨削速度减小,切向残余压应力增大,垂直磨削方向残余拉应力减小;振幅增大时,切向残余压应力减小,垂直方向残余应力增大。     

超声振动辅助磨削弧区的单颗磨粒切厚特征

为准确描述超声振动下的单颗磨粒切厚特征,实测多层金属结合剂金刚石砂轮表面的相邻2颗磨粒的周向间距以及磨粒出刃高度;依据超声振动辅助磨削的磨粒运动轨迹方程及相邻磨粒运动轨迹干涉理论,采用等分线法,利用MATLAB软件求解磨粒在完整接触弧区的单颗磨粒切厚值,并分析各主要参数对单颗磨粒切厚特征的影响。结果表明:相邻磨粒间距、相邻磨粒高度差对单颗磨粒切厚的影响均呈线性变化;单颗磨粒切厚随超声振幅的增大而线性增大,且随超声振动频率的增大而阶段性变化;超声振动辅助磨削的单颗磨粒切厚特征受砂轮转速、磨削深度的影响较大,受工件进给速度的影响相对较小。      

超声振动辅助滚压参数对钛合金表面残余应力的影响

结合有限元分析和实验研究,基于与普通滚压工艺的对比,对超声振动辅助滚压强化钛合金表面的残余应力场进行分析,获得了沿改性层深度方向的残余应力变化和瞬态应力分布云图。结果表明:与普通滚压相比,超声振动辅助滚压可改变滚压头和材料表面接触力的作用方式,使应力波沿着材料深度方向动态传播,从而产生更深的残余压应力影响层,并导致压应力层下移。在实验参数条件下,最大残余压应力值和表面残余应力值都随着静压力的增大而显著增大;随着主轴转速的增大,最大残余压应力值明显单调增加,而最大残余压应力层深度逐渐减小;振幅对残余应力场的影响不十分显著。