磷锗锌晶体脆塑转变临界切削深度的研究

为实现磷锗锌(ZnGeP2)晶体超精密切削,提高表面加工质量,获得纳米级的超光滑表面,基于纳米压痕实验计算出磷锗锌晶体表面脆塑转变临界深度.在此深度内切削材料产生脆塑转变,并以塑性方式去除.在此基础上,采用单点金刚石飞切机床DFC600A开展磷锗锌晶体超精密切削.通过控制切削深度低于磷锗锌晶体脆塑转变临界深度,使材料表...     

光学玻璃塑性模式超精密磨削加工的研究

利用超精密磨床磨削加工6种典型的光学玻璃,先从理论上研究了脆性材料脆塑转变的临界值,然后对脆性材料作了大量磨削实验,实验结果表明,超精密磨削脆性材料时存在着断裂模式,断裂与塑性模式、塑性模式,这些模式主要由砂轮磨粒的切削深度进行控制,该磨削表面粗糙度与磨粒尺寸的大小,砂轮的进给量及玻璃的材料有关,当光学玻璃在塑性模式磨削时,其表面层不会产生任何裂纹缺陷,利用超精密磨床进行磨削加工,获得的表面粗糙度Ra低于5nm。     

石英玻璃的单颗磨粒划擦应力场解析模型及损伤可控磨削机理研究

构建了单颗磨粒划擦各向同性硬脆材料的弹性应力场解析模型,并以此为基础提出单颗磨粒划擦各向同性硬脆材料表面的裂纹失稳扩展临界函数,临界函数包含原始表面应变速率、磨削液等因素对裂纹扩展造成的影响。将石英玻璃作为研究对象,深入分析了表面微裂纹损伤的可控磨削机理。在进行石英玻璃的磨削试验中,材料的磨削机理随单颗磨粒磨削深度的增加而变化,依次是塑性域去除、低载半脆性域去除、全脆性域去除和高载半脆性域去除。在1 mm/min的工件进给速度下,可以对石英玻璃进行塑性域磨削,从而获得无裂纹损伤的光滑磨削表面,然而其磨削效率较低,在实际生产中不能发挥理想的作用。对石英玻璃开展全脆性域磨削时,材料去除率较高、加工表面表面质量好、微裂纹损伤深度较小,砂轮自锐性良好,是一种优良的精密磨削工艺。     

碲锌镉晶片的超精密飞切减薄工艺研究

运用晶体材料的脆塑转变理论,建立了碲锌镉晶体材料生长晶面(111)面上的脆塑转变临界切削深度模型。然后通过碲锌镉典型样件(111)晶面的超精密飞切铣削实验进行了弧形槽结构的检测和分析,获得了碲锌镉晶体材料(111)晶面的脆塑转变临界切削深度数值。并确定了切削单晶碲锌镉材料时的最佳飞切晶向,实现了飞切方向和最小切削厚度值的匹配。最后通过组合夹具的使用,进行了超精密飞切减薄试验,实现了一整套晶体材料的超精密飞切减薄加工工艺。     

硬脆材料磨削加工机理研究进展

金刚石砂轮磨削加工仍然是最有应用前景的硬脆材料高效加工途径,而弄清磨削加工机理对实现硬脆材料元器件的高效超精密加工具有重要意义。介绍硬脆材料微纳切削的静态压痕断裂力学模型与动态切削加工近似模型这两种经典模型,诠释了塑脆转变机制。深入分类探讨了硬脆材料的脆性去除、塑性域去除与粉末化去除这3项加工机理,材料去除是裂纹演化、挤压微破碎、相变与位错等因素导致而成。塑性域加工是改善硬脆材料加工损伤的重要措施,而力热耦合作用场、材料晶面晶向等因素都是影响塑性域去除机制的关键。     

易解理氧化镓晶体微尺度力学行为试验研究

为了探寻单晶氧化镓晶体超精密加工的易切削方向以及临界切削深度,将单晶氧化镓晶体(100)晶面和(010)晶面等角度划分成24等份,对每个方向上用Berkovich金刚石压头进行纳米压痕试验、用Cube金刚石压头进行纳米压痕和划痕试验。试验结果表明,在(100)晶面120°方向上脆塑转变临界切深最大,为623 nm左右,此时脆塑转变临界载荷为29.4 mN;在(010)晶面105°方向上脆塑转变临界切深最大,为686 nm左右,此时脆塑转变临界载荷为20.0 mN。氧化镓晶体存在强烈的各向异性,其中(010)面各向异性较为强烈。对比硬度、弹性模量、断裂韧度和相对脆塑转变临界切深随方向的变化趋势,结合各方向的划痕试验结果可以看出,氧化镓晶体(010)面为易加工晶面,105°方向为易加工方向。     

石英玻璃超精密磨削加工的表面完整性研究

为了实现石英玻璃的高效低损伤超精密磨削加工,研究不同粒度金刚石砂轮磨削石英玻璃的表面和亚表面质量,建立表面粗糙度与亚表面损伤深度之间的关系模型。通过石英玻璃磨削试验研究400#、1 500#、2 000#和5 000#金刚石砂轮磨削石英玻璃的表面微观形貌、表面粗糙度及其亚表面损伤深度,分析相应的材料去除方式;基于压痕断裂力学理论分析脆性域磨削石英玻璃时工件表面微观形貌和亚表面微裂纹的形成机理,建立表面粗糙度PV值和亚表面损伤深度SSD之间的定量关系。研究结果表明:随着砂轮粒度的减小,石英玻璃磨削表面的凹坑、微裂纹、深划痕等缺陷逐渐减少,表面粗糙度Ra和PV以及亚表面损伤深度SSD均随之明显减小,从400#砂轮磨削表面的R_a 274.0 nm、PV 5.35μm和SSD 5.73μm降低至5 000#砂轮磨削表面的Ra 1.4 nm、PV 0.02μm和SSD 0.004μm。500#和1 500#砂轮磨削表面的材料去除方式为脆性断裂去除,2 000#砂轮磨削表面的材料去除方式同时包括脆性断裂去除和塑性流动去除,但以塑性流动去除为主,5 000#砂轮磨削表面的材料去除方式为塑性流动去除;脆性域磨削石英玻璃的表面粗糙度PV与亚表面损伤深度SSD之间满足SSD=(0.627～1.356) PV~(4/3)的数学关系。     

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。     

镁铝尖晶石的塑性域磨削

为了避免和减小镁铝尖晶石在研磨工艺中产生的亚表面损伤,研究了合理控制磨削参数,实现镁铝尖晶石塑性域磨削的方法。分析了镁铝尖晶石的脆塑转变机理,采用不同尺寸规格的金刚石砂轮磨粒和改变砂轮进给量等参数进行了大量实验,探索了镁铝尖晶石的塑性磨削条件及影响因素,实现了镁铝尖晶石的塑性域高精度磨削。采用VG401MKⅡ型超精密磨床和3000#金刚石砂轮,设定砂轮速度为20m/s,工件速度为0.3m/s,进给量为0.5~3μm/r进行了磨削实验。结果显示:当金刚石砂轮磨粒的平均尺寸小于8μm时可以实现镁铝尖晶石的塑性磨削,其表面粗糙度Ra可以达到2.291nm,透光率可提高17%。研究结果表明,砂轮的平均磨粒尺寸和砂轮进给量对镁铝尖晶石材料的表面加工质量影响很大,该结果为研究磨削高质量镁铝尖晶石表面提供了依据。     

电镀金刚石砂轮高效精密修整及熔融石英磨削试验研究

大尺寸光学玻璃元件主要采用细磨粒金刚石砂轮进行精密/超精密磨削加工,但存在砂轮修整频繁、工件表面面形精度难以保证、加工效率低等缺点。采用大磨粒金刚石砂轮进行加工则具有磨削比大、工件面形精度高等优点,然而高效精密的修整是其实现精密磨削的关键技术。采用Cr12钢对电镀金刚石砂轮(磨粒粒径151 μm)进行粗修整,借助修整区域聚集的热量加快金刚石的磨损,可使砂轮的回转误差快速降至10 μm以内。结合在线电解修锐技术,采用杯形金刚石修整滚轮对粗修整后的电镀砂轮进行精修整,砂轮的回转误差可达6 μm以内,轴向梯度误差由6 μm降至2.5 μm。通过对修整前后的金刚石砂轮表面磨损形貌成像及其拉曼光谱曲线分析了修整的机理。对应于不同的砂轮修整阶段进行熔融石英光学玻璃磨削试验,结果表明,砂轮回转误差较大时,工件材料表面以脆性断裂去除为主;随着砂轮回转误差和轴向梯度误差的减小,工件表面材料以塑性去除为主,磨削表面粗糙度为Ra19.6 nm,亚表层损伤深度低至2 μm。可见,经过精密修整的大磨粒电镀金刚石砂轮可以实现对光学玻璃的精密磨削。     

应用超硬大磨粒金刚石砂轮实现BK7光学玻璃的超精密磨削

首先以91μm磨粒杯形铜基金刚石砂轮作为修整器并结合砂轮在线电解修锐技术(ELID,Electrolytic in- process dressing)对151μm磨粒电镀镍基单层金刚石砂轮进行精密高效的修整。在最佳的修整参数下,同时应用测力仪对两个砂轮间磨削力进行监测,并应用共轴光学位移检测系统对砂轮表面状态进行在位监测,151μm砂轮的回转误差被减小至1～2μm范围,同时砂轮上所有金刚石磨粒被修整出平坦表面并拥有恒定的圆周包迹,此时砂轮达到最佳工作状态。然后应用被良好修整的砂轮对光学玻璃BK7进行磨削加工。磨削试验结果和亚表层完整度评价结果表明新开发的大磨粒金刚石砂轮修整技术的可行性,也验证大磨粒金刚石砂轮只要经过精密修整是可以应用于光学玻璃的延展性超精密磨削加工的,并能实现纳米级的表面粗糙度,显示出大磨粒金刚石砂轮在加工难加工材料和硬脆材料中的良好应用前景。     

电铸砂轮

<正> 最近,日本研制出一种用超硬磨料制作的精密磨削工具——电铸砂轮刀片,这种电铸砂轮能对硬脆材料进行精密切槽加工及高速、高效磨削加工。电铸砂轮是采用一种分散电镀方式制成的,即将磨粒悬浮在电镀槽中进行电镀,由电镀金属将磨料固结在基体金属上,形成磨粒均匀、强度极高的砂轮。电镀金属一般选用电镀镍,因为它的机械强度高,且易于进行复合电镀。其粒度选择可根据加工面精度及磨粒锐利度来确定,一般在4000~#至400~#范围。砂轮厚度通常在400μm以下,最薄的甚至只有15μm,因此,最适宜制成超薄型刀片。而象金属结合剂砂轮之类用粉末法制造的砂轮,厚度变薄后,其厚度精     

氟化钡晶体超精密切削材料去除机理研究

氟化钡晶体在红外成像与激光系统有着广泛而重要的应用,作为典型的萤石型离子晶体,其材料去除机理目前尚不清晰,获得超光滑表面仍极具挑战.本研究采用槽切法研究氟化钡晶体脆塑转变临界深度、脆塑转变机制及表面缺陷形成机理.通过分析最大未变形切屑厚度随切削参数的变化规律,提出实现氟化钡晶体塑性域切削的理论模型.对氟化钡晶体进行了端...     

微晶玻璃塑性超精密磨削加工的研究

本文对微晶玻璃脆性材料的超精密磨削加工作了大量的实验研究。研究结果表明，对于微晶玻璃等脆性材料，其表面粗糙度主要与砂轮的平均磨粒尺寸、砂轮速度、进给量及磨削深度等因素有关。当采用超精密磨床并在vs=1200m/min、f=0～200um/rev、ap=0.1～10um条件下磨削时，只有当金刚石砂轮的平均磨粒尺寸低于20um，才能在塑性磨削模式下加工出高质量的光滑表面，其磨削后的表现粗糙度为rms;8.021nm、Ra:6.200nm。     

在线电解修整磨削与化学机械抛光相结合的蓝宝石基片组合加工技术

通过分析ELID磨削和CMP抛光两种加工技术的原理和特点,充分结合两种技术的优点,对蓝宝石基片进行超光滑纳米级精度的组合加工。从理论上分析和计算了蓝宝石的临界切削深度,以及在不同粒度砂轮下的脆性和延性磨削方式;采用不同粒度的砂轮对蓝宝石基片进行超精密ELID磨削实验,快速地获得高质量的加工表面,同时采用磁流变斑点法对加工面的亚表面损伤进行测量;利用CMP抛光技术对磨削加工后的表面进行光整,以减少磨削时产生的加工缺陷,使工件的表面质量得到进一步改善与提高,最终获得亚纳米级的表面粗糙度。     

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。     

碳化硅高速磨削表面完整性研究

针对碳化硅的应用日益扩大,但它质地硬脆,高效率高质量加工总遇到障碍的情况,采用高速磨削工艺,研究了砂轮速度对磨削力和材料去除率的演变规律,开展了磨屑形态、磨削表面和亚表面形貌观察,及表面粗糙度、残余应力等一系列试验。结果表明:高速磨削能降低磨削力和磨削热,减小磨削损伤层,成比例提高砂轮速度和工件速度能增进表面完整性和提升加工效率。基于磨削层表面粗糙度和深度残余应力的检测,表明:在碳化硅高速磨削中,存在脆-延性去除机理的转化过程;高速磨削有望成为高效率高质量磨削工程陶瓷碳化硅的一条有效途径。     

小直径青铜结合剂微粉砂轮的电火花精密修整实验研究

青铜结合剂微粉金刚石砂轮常用于脆硬材料的超精密磨削加工,但其修整十分困难;采用内冲式弧面铜钨电极对W10青铜结合剂微粉金刚石砂轮进行了电火花修整试验研究;搭建试验平台并设计三种不同弧度的内冲式电极,采用超景深三维显微镜、精密粗糙度仪、CCD激光位移传感器以及扫描电子显微镜,对修整后的砂轮进行了表面形貌检测、轮廓检测和磨削性能测试;检测结果表明60?弧面电极的内冲效果最好,修整砂轮表面磨粒突出明显,数量较多且密集度高,金刚石磨粒保存完好;砂轮圆跳动误差值最小,可达1.7?m、1.8?m、1.8?m;试验验证了采用60?弧面电极修整砂轮的磨削性能最好,加工的试件表面粗糙度可达Ra2.273 nm,已基本达到超精密镜面磨削的质量。     

高硬钢的超精密磨削

采用新型高刚性Tetraform“C”磨床对高硬轴承钢M50进行超精密磨削可获得理想的表面粗糙度(Ra<10nm)。试验表明,采用粒度76μm磨粒的CBN(立方体氮化硼)砂轮,以500μm的砂轮切深就可稳定获得Ra<10nm的表面粗糙度。这个结果相对于先前欲获得纳米表面粗糙度就必须损失加工效率的理论有了一个显著的飞跃。一般认为杯形砂轮磨削包括主磨削和光整磨削,形成了镜面,磨削的最终表面粗糙度决定于磨钝的CBN磨粒的修光作用,磨削结果表明,光整磨削区工件的脱碳对磨削表面粗糙度影响很大。采用在线电解修整砂轮能够很好的解决这一问题,它能使CBN磨粒突出并且尖锐。尽管磨粒的修光作用减弱使得零件表面略显磨痕,但这一方法保证了零件表面组织的完整。     

在线电解修整（electrolytic in-process dressing，EIPD）

金属基超硬磨料砂轮在线电解修整(EIPD)超精密镜面磨削技术是日本理化学研究所大森整博士等于1987年开发的超精密加工新技术，是对超精密磨削加工技术的重大改进。此技术可用于加工各种金属和非金属硬脆(如陶瓷、玻璃等)材料，适用性广泛，加工后的表面粗糙度Ra值可达到纳米级。