磨削加工硬脆材料的延性域研究进展

为实现硬脆材料在磨削过程中处于延性域加工,以提高材料的表面质量、增加材料的使用寿命,使材料具有优良的抗疲劳、耐磨损性能,从试验研究、理论建模、仿真分析3个方面介绍了国内外学者对硬脆材料磨削加工过程中的脆塑转变现象的研究。分析了超声辅助振动磨削加工中脆塑转变的国内外研究现状,提出将高速、超高速与超声辅助振动磨削相结合的加工方式。研究结果表明:磨削速度对硬脆材料的最大未变形切屑厚度影响较大;引入超声辅助振动容易实现硬脆材料延性域磨削;施加不同方向的超声辅助振动对材料脆塑转变的临界切削深度影响不同。提出未来应从磨削热、预热处理、仿真分析模型、磨削加工模型4个方面对硬脆材料延性域磨削进行更深层次的研究。研究成果为实现硬脆材料延性域磨削和实际生产提供了参考。     

工件作超声振动时的磨削特性研究

磨削是加工硬脆性材料并获得高加工精度的常用工艺,加工过程中表面质量与材料的去除率是一对矛盾,超声振动的引入在很大程度上缓解了这一矛盾。对工件作超声振动的磨削加工特性进行了试验及理论分析,从工件振动的等效硬度特性角度分析了磨削力比降低的原因,并对其进行了量化计算。该结果对超声辅助磨削加工硬脆材料具有现实的指导意义。     

Nd-Fe-B烧结永磁材料超声辅助磨削试验研究

对Nd-Fe-B烧结永磁材料普通磨削和径向超声振动辅助磨削的工艺进行了对比试验,系统分析了在两种工艺条件下磨削用量对法向磨削力的影响;深入研究了超声振动和磨粒切削的复合过程,指出超声振动形成的断续磨削机制是降低法向磨削力的主要原因.径向超声振动的辅加改善了磨削加工效果,在一定程度上避免了脆崩现象,保证了Nd-Fe-B烧结永磁材料加工表面的完整性.     

Cf/C-SiC烧蚀行为及激光复合超声磨削可行性研究

目的 揭示激光与Cf/C-SiC陶瓷基复合材料相互作用机理,分析激光能量密度对材料形性演变的影响规律。提出Cf/C-SiC陶瓷基复合材料激光复合超声磨削加工方案,探究硬脆材料多能场复合加工的可行性。方法 使用不同能量密度的激光束扫描Cf/C-SiC陶瓷基复合材料表面,以明确材料烧蚀行为。在材料表面预制不同间距的平行纹理沟槽,进而对比传统磨削、超声辅助磨削和激光复合超声磨削的加工效果,同时研究不同扫描间距的预制沟槽对磨削效果的影响规律。结果 陶瓷基复合材料(CMC)在激光作用下可呈现2种截然不同的状态,改性状态时材料以氧化等热化学变化为主,样件内出现热影响区和裂纹区。烧蚀状态时材料以热物理和热机械变化为主,样件内出现烧蚀凹坑、重铸层、热影响区和裂纹区。纤维束中界面经整体脱黏后,裂纹向下延伸并发生偏转。基体中的裂纹多起源于纤维界面处,并在扩展过程中发生偏转、分叉。激光烧蚀作用可改变材料的可加工性,有利于后续超声磨削加工。激光复合超声磨削的两方向磨削力相较传统磨削分别减小了51.4%和56.5%,同时表面粗糙度Sa可降低至4.228 μm。结论 激光复合超声磨削可有效降低磨削力和加工表面粗糙度,从而提高加工质量,该方法在实现硬脆材料高质量低成本加工方面具有较大的潜能。     

振动磨削加工工程陶瓷MnZn铁氧体表面微细沟槽成屑机理的试验研究

振动磨削作为新型有效磨削方式，为典型难加工工程陶瓷材料提供了精密高效加工手段。本文结合对Ｍｎ－Ｚｎ铁氧体硬脆材料的振动磨削试验；分析了其磨削机理； 提出了硬脆材料表面微细沟槽提前贯通成屑机理。     

旋转超声辅助加工装置及其工艺研究

基于传统超声振动理论,提出了一种新型旋转超声辅助加工装置。该装置将超声振动与负载匹配二者相结合,具备旋转超声辅助加工硬脆材料的能力。利用该装置对微波铁氧体材料进行旋转超声辅助钻削加工试验研究,验证了旋转超声辅助磨削可有效降低加工过程中的切削力。同时,在保证刀具和材料安全的前提下,探索了旋转超声辅助加工装置对加工效率的影响。     

超声加工技术研究进展

超声加工技术依靠瞬时高频振动撞击对工件断续加工,具有极强切削能力的同时,具有较小的宏观切削力,主要用于硬脆材料的精密加工,能提高加工精度和表面质量。首先,阐明了超声加工技术的基本原理及其基本应用范围。其次,综述了超声辅助切削加工技术的研究进展,着重论述了超声辅助铣削净切削时间模型的建立以及模型正确性验证,总结了加工参数对刀具运动轨迹、工件表面质量的影响,阐明了椭圆振动切削能有效抑制切削颤振带来不利影响的原因;探讨了超声辅助磨削技术在加工非金属和金属材料时,对表面质量以及工件表面温度分布的影响;综述了超声辅助钻削技术的切削力和进给速度与普通钻削参数的比较。再者,介绍了超声波加工技术的新发展方向,包括三维椭圆超声振动切削技术、超声ELID复合磨削技术、超声EDM复合加工技术、超声辅助抛光的工作原理及最新研究趋势和能实现的试验效果。最后,总结了目前对超声加工技术及超声辅助或复合技术的研究。     

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.     

纵扭超声辅助磨削氮化硅亚表面损伤及其试验研究

目的 探究纵扭超声辅助磨削工艺参数对氮化硅陶瓷亚表面损伤的影响规律。方法 首先,建立纵扭超声振动下单颗磨粒的切削轨迹及其切削弧长模型,分析纵扭超声辅助磨削独特的加工机理。其次,考虑砂轮表面磨粒的随机分布特性,并基于硬脆材料脆塑转变特性及其临界转角界定,给出纵扭超声辅助磨削单颗磨粒未变形切屑厚度的概率学模型,进而建立纵扭超声辅助磨削过程中单颗磨粒的平均法向磨削力模型。最后,建立纵扭超声辅助磨削氮化硅亚表面损伤深度模型,并进行试验验证。结果 纵扭超声振动的引入增大了纵扭超声辅助磨削过程中单颗磨粒的切削弧长,减小了单颗磨粒平均未变形切屑厚度,降低了单颗磨粒的法向磨削力,最终降低了氮化硅陶瓷亚表面损伤的深度,获得了较好的氮化硅陶瓷表面加工质量。氮化硅亚表面损伤深度随着超声振幅的增大而降低,当超声振幅为6μm时,亚表面损伤深度为5.65μm,相较于普通磨削亚表面损伤深度降低了33.6%。理论模型预测结果与试验结果趋势一致,预测结果与试验结果的最大误差为13.38%,平均误差为8.34%,因此该模型能够为氮化硅实际加工中亚表面损伤深度的预测提供一定参考。结论 纵扭超声辅助磨削能够有效降低氮化硅陶瓷...     

口腔陶瓷修复材料加工研究

口腔陶瓷修复材料以其优良的生物相容性、独特的美学性及稳定的化学性等优点在口腔修复中占主导地位。由于口腔陶瓷修复材料的脆硬特性及义齿的复杂表面特征,使其在CAD/CAM （计算机辅助设计与制造）成型加工和后续的修磨中,存在磨削工艺复杂、加工破损率高和表面易损伤等难题。充分了解口腔修复材料专用磨削加工工具及其性能,优化设计加工参数,对降低修复材料损伤具有重要意义。本文介绍了不同口腔陶瓷修复材料加工方式和加工工具,阐述了口腔陶瓷修复材料的磨削去除机理、磨削力及磨削表面质量等研究现状,并提出了后期研究发展主要方向。      

超硬磨料砂轮超声振动修整新进展

硬脆材料精密高效的磨削水平取决于超硬砂轮的修整,随着硬脆材料的广泛使用,超硬磨料砂轮的修整技术也有了新的发展。本文简要叙述了目前一些修整方法的局限性并重点论述了超声波振动修整方法的修整机理以及不同的修整方式,并且对各种修整方式的特点和效果进行了分析。超声振动修整技术是一种高效的修整方法,修整后的砂轮获得了理想的砂轮形貌。其中,单激励椭圆超声振动修整技术是一种有效而低成本的新型修整方法,可以实现金刚石砂轮的高效修整。     

Study on the system matching of ultrasonic vibration assisted grinding for hard and brittle materials processing

Ultrasonic vibration assisted grinding (UAG) is an effective processing method for hard and brittle materials. Compared with common grinding (CG), both of grinding force and workpiece surface quality is improved by UAG, but the principle of improvement is still unclear. In order to reveal the mechanism of grinding force reduction and grinding quality improvement in UAG, this paper presents a mathematical model for system matching in UAG of brittle materials. Assuming that brittle fracture is the primary mechanism of material removal in UAG of brittle materials, the system matching model is developed step by step. On the basis of this mathematical model, the mechanism of grinding force reduction and surface roughness forming are discussed. The advantage of UAG processing brittle materials is pointed out in theory. Using the model developed, influences of input variables on grinding force are predicted. These predicted influences are compared with those determined experimentally. This model can serve as a useful foundation for development of grinding force models in UAG of brittle materials and models to predict surface roughness in UAG.     

A new two-dimensional ultrasonic assisted grinding (2D-UAG) method and its fundamental performance in monocrystal silicon machining

A new two-dimensional (i.e., elliptical) ultrasonic assisted grinding (UAG) technique is proposed to achieve high material removal rate and high surface quality in the machining of hard and brittle materials such as monocrystal silicon. In this method, the workpiece attached on an elliptical ultrasonic vibrator is ground with a resin bond diamond grinding wheel under the presence of elliptical ultrasonic vibration. The elliptical ultrasonic vibrator is produced by bonding a piezoelectric ceramic device (PZT) on a metal elastic body (stainless steel, SUS304) and its detailed structure/dimensions are determined by FEM (finite element method) analysis. When two alternating current voltages with a phase difference are applied to the PZT at the same frequency that is close to the resonant frequency of the longitudinal mode and bending mode of vibrator, two ultrasonic vibrations are generated simultaneously, and the synthesis of the vibrations results in an elliptical motion on the end face of the vibrator. If the phase difference is set at 0° or 180°, two kinds of one-dimensional ultrasonic vibrations, i.e., axial or vertical vibrations, can be obtained. Grinding experiments are carried out involving monocrystal silicon to confirm the performance of the proposed elliptical UAG. In addition, grinding experiments under the presence of the axial and vertical ultrasonic vibrations and the absence of ultrasonic vibrations, i.e., conventional grinding, are also carried out for comparison. The obtained results show that: (1) compared with conventional grinding, the axial ultrasonic vibration results in greatest improvement in the work surface quality and a slight reduction in the grinding forces; (2) under the vertical ultrasonic vibration, the grinding forces are decreased significantly but the surface roughness is increased slightly; (3) elliptical ultrasonic vibration leads to the significant reduction of both the surface roughness and grinding forces. These indicate that the high efficiency and high-quality grinding of monocrystal silicon can be performed with the proposed two-dimensional ultrasonic assisted grinding technique.     

超声波椭圆振动加工技术的研究进展

超声波椭圆振动加工是功率超声加工技术的重要分支之一,在硬脆性材料加工方面具有非常广阔的应用前景。综述了超声波椭圆振动加工系统的研究进展和超声波椭圆振动加工技术在车削、镗削、钻削、铣削、磨削、化学机械抛光、砂轮修整、表面滚压与焊接等方面的最新应用,最后对超声波椭圆振动加工技术的发展方向提出了一些建议。     

Experimental study on brittle–ductile transition in elliptical ultrasonic assisted grinding (EUAG) of monocrystal sapphire using single diamond abrasive grain

This study is carried out to investigate the material removal characteristics in elliptical ultrasonic assisted grinding (EUAG) of monocrystal sapphire using single diamond abrasive grain. The scratching experiments are performed to develop a fundamental understanding of the ductile–brittle transition mechanism during EUAG of monocrystal sapphire. An elliptical ultrasonic vibrator attached with a sapphire substrate was set up on a multi-axis CNC controlled machining center equipped with a single point diamond tool. The vibrator was constructed by bonding a piezoelectric ceramic device (PZT) having two separated electrodes on a metal elastic body, and an elliptical ultrasonic vibration was generated on the end-face of the metal elastic body when two phases of alternating current (AC) voltages with a phase difference are applied to their respective electrodes on PZT. In scratching experiments, the effects of ultrasonic vibration on the critical depth of cut a_c for the ductile–brittle transition region and the material removal ratio, i.e., the ratio of the removed material volume to the machined groove volume, f_ab, are investigated by the examination of the scratching groove surfaces with SEM and AFM. The obtained results show that the critical depth of cut in EUAG is much larger than that in conventional grinding without vibration (CG), and even the bigger vibration amplitude leads to a greater improvement. Although the values of f_ab in the ductile–brittle transition region in both EUAG and CG are less than 1, that in EUAG is bigger than that in CG. Furthermore, as the vibration amplitude increases, the value of f_ab is increased to eventually be close to 1. These show that it is prone to achieve a ductile mode grinding in greater vibration amplitude. It was also found that in the process there are two kinds of material removal modes, i.e., continuous cutting and discontinuous cutting modes, which are determined by the relationship between values of vibration amplitude and depth of cut. This study validates that the elliptical ultrasonic assisted grinding method is highly effective in ductile mode machining of hard and brittle materials.     

金刚石钻磨头超声振动钻磨硬脆材料表面质量的试验研究

硬脆材料以其优良的性能在生产实践中得到了广泛应用，但其低塑性、易脆性及不导电性等使得加工十分困难，尤其是超精密表面制作更加困难。为此，本文将超声振动引入普通钻磨中，介绍了超声振动切削原理，通过超声与普通两种方式下的表面粗糙度试验和微观形貌观察得出以下结沦：1）不同加工参数时，超声振动钻磨时的工件表面粗糙度值均低于普通钻磨时的表面粗糙度值；2）随着进给量、工件转速和输入功率的增加，超声和普通钻磨时的表面粗糙度均呈上升趋势；3）普通钻磨加工后孔壁表面有宽度和间距不均匀的沟槽，并且沟槽较宽，而超声钻磨加工后表面沟槽（划痕）较浅且均匀。     

细粒度金刚石砂轮椭圆超声振动修整试验研究

针对硬脆材料精密加工中细粒度金属结合剂金刚石砂轮修整精度低、修整速度慢、成本高的难题,开发了基于局部共振设计方法的新型单驱动椭圆振动超声修整装置,设计了专用试验砂轮.修整试验结果表明:与普通机械修整方式比较,椭圆超声振动修整后的砂轮表面磨粒分布均匀、静态磨粒数增加;磨粒表面平滑完整,多个棱边有完整锋利的磨刃;同时,结合剂三角洲面积减小,磨粒突出高度增大,延性修整痕迹明显.随着修整切深增加,单位面积上砂轮突出磨粒数减少,砂轮的承载率下降,磨粒锋利性降低;随着修整导程增加,各截层的磨粒数逐步减少,但是承载率增加,磨粒变得锋利;砂轮转速增加,椭圆超声振动修整的效果减弱,砂轮磨粒锋利性降低,而超声功率增大有利于改善修整效果.选择合理参数,采用椭圆振动超声复合修整技术,可以实现细粒度金刚石砂轮的低成本快速修整.     

超声复合电加工振动参数检测控制与试验研究

利用高速、高精激光微位移传感器及高频数字示波器进行超声及其复合加工的振动参数(振幅与频率)在线测量,其结果具有高精度和实时性。设计了控制软件,为保持超声振动的稳定及复合电加工参数的在线实时调节与优化建立了基础条件,同时通过数学处理得到了超声振幅与超声激振电压之间的关系。利用分析与测试结果合理选择加工参数,对陶瓷、硬质合金等硬脆性难加工材料进行了超声及其复合电加工试验,超声振动系统工作稳定可靠,试验结果验证了超声及其复合电加工技术对硬脆难加工材料的加工优势。