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。     

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。     

电镀金刚石砂轮面磨削氧化铝陶瓷的机理研究

本文利用电子扫描电镜，观察了金刚石磨粒的微切削刃以及氧化铝陶瓷试件的磨削时的表面、已磨削表面，对电镀金刚石砂轮磨氧化铝陶瓷的机理进行了研究，指出氧化铝陶瓷已磨削表面的缺陷以及脆性袭纹为主，磨削温度对材料去除过程影响很大，有可能存在非裂纹扩展的陶瓷材料去除方式。     

工程陶瓷加工表面临界条件的研究

研究了工程陶瓷磨削加工时的未变形切屑厚度模型,陶瓷加工时材料去除形式分为延性域去除、延脆性域去除和脆性域去除等3种,并通过引进延性域系数η_0、延脆性域系数η_1,建立了延脆性域2个临界磨削深度模型。利用微晶玻璃陶瓷展开磨削试验,得到了工程陶瓷加工表面粗糙度与磨削速度、磨削深度、工件进给速度及未变形切屑厚度的关系,进而得出工程陶瓷加工表面临界条件的规律,并给出了所提出的相关系数和微晶玻璃陶瓷延脆性域2个临界磨削深度,为工程陶瓷加工表面成形机理的研究提供了一定的参考。     

热压硫化锌的超精密磨削加工

针对用传统车削或研磨抛光方法加工大尺寸非球面热压硫化锌透镜存在的不足,采用金刚石砂轮磨削加工方法对热压硫化锌材料进行了加工实验。通过压痕、单颗粒金刚石刻划和磨削正交实验,研究了该方法在磨削加工过程中的塑性域去除机理及其亚表面损伤情况,并优化了超精密磨削加工工艺参数。压痕实验发现热压硫化锌材料在载荷作用下易于出现径向裂纹和微裂纹,其断裂韧性为2.643842MPa/m1/2,临界切削深度为1.808μm。单颗粒金刚石刻划实验结果表明,热压硫化锌材料在较小的切削深度下可以实现塑性域去除,但在机械去除过程中易出现多种形式的亚表层损伤。磨削实验结果表明,磨削深度是影响表面光洁度的主要因素,随着磨削深度的增大表面光洁度降低,最佳表面粗糙度为7.6nm。工作台进给速度是影响面形精度的主要因素,且平面磨削的面形精度PV值为0.185~0.395μm。研究结果表明,磨削加工热压硫化锌材料可以获得纳米级表面粗糙度。     

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。     

可加工微晶玻璃陶瓷磨削表面成形机制

通过在MK9025A型曲线磨床上开展微晶玻璃陶瓷磨削试验,研究可加工陶瓷表面成形机制和表面粗糙度。结果表明,可加工陶瓷材料磨削时其材料去除具有延性去除、延脆性去除、脆性去除三种模式,以硬脆材料相关系数Mr改进可加工陶瓷未变形切屑厚度模型,提出延性域系数η0、延脆性域系数η1,用以构建延性-延脆性和延脆性-脆性两个临界磨削深度模型。根据可加工微晶玻璃陶瓷单因素磨削试验,提出了复合磨削因子Q,基于以上未变形切屑厚度模型和两个临界磨削深度模型建立表面粗糙度模型,得到了表面粗糙度与复合磨削因子之间的关系,利用标准差检验模型精度。正交试验验证结果表明,可加工微晶玻璃陶瓷表面粗糙度试验值与所建立的表面粗糙度模型理论值吻合度较高。     

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。     

纳米ZrO2牙科陶瓷磨削材料去除机理的实验研究

对纳米ZrO2牙科陶瓷磨削中脆性和塑性去除转变的材料去除机理进行了理论分析与实验研究。利用K-P36精密数控平面磨床对3Y-TZP纳米ZrO2牙科陶瓷进行磨削加工实验。用YDM-III99型整体式三向压电磨削测力仪测量三向磨削力,用TALSURF5轮廓仪测量加工后的微观几何参数值,用扫描电镜观察表面微观形貌变化。实验结果表明,未变形磨屑的最大厚度小于1.9μm时为塑性去除方式;未变形磨屑的最大厚度为1.9～2.1μm时开始出现由侧向裂纹引起的脆性断裂去除,为塑性和脆性混合去除方式;未变形磨屑的最大厚度为5.23μm时,加工表面发生了大规模的脆性断裂,并且表面还残留了大量的半硬币形脆性断裂产生的凹坑,为脆性去除方式。     

磨削力对HIPSN陶瓷磨削亚表面裂纹的影响

采用金刚石砂轮是磨削热等静压氮化硅(HIPSN)陶瓷最常用的加工方法,但是被磨零件亚表面常常伴随裂纹、崩碎等加工损伤,因此研究裂纹扩展一直是工程陶瓷的热点问题。对磨削加工后的HIPSN陶瓷亚表面裂纹进行探究,分析其在磨削加工过程中产生裂纹的原因以及去除机理,研究结果表明在磨削过程中对裂纹进行适当的控制,可以提高陶瓷零件的可靠性。设置单因素实验,对不同磨削参数下HIPSN陶瓷的磨削力进行测量,通过扫描电镜(SEM)对亚表面裂纹和表面形貌进行观察,分析磨削力对亚表面裂纹的影响。实验结果表明:磨削力随着砂轮线速度的增大而减小,随着工件进给速度和磨削深度的增大而增大;当磨削力变大时,陶瓷亚表面裂纹扩展程度增加,表面形貌变差。在粗磨加工HIPSN陶瓷时,可以通过减小工件进给速度和磨削深度,提高砂轮线速度的方法来降低裂纹的扩展程度,能够有效降低后续工艺的加工时间和难度,提高表面质量。     

微晶玻璃塑性域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=12 0 0 m/ min、f=0～2 0 0μm/ rev、ap=0 .1～ 10μm条件下磨削时 ,只有当金刚石砂轮的平均磨粒尺寸低于 2 0μm,才能在塑性磨削模式下加工出高质量的光滑表面 ,其磨削后的表面粗糙度为 rms:8.0 2 1nm、Ra:6.2 0 0 nm。     

用于磨削6H-SiC晶片的陶瓷结合剂金刚石砂轮制备及磨削试验研究

使用自制的陶瓷结合剂金刚石砂轮磨削6H-SiC晶片,研究了6H-SiC晶片材料去除方式和砂轮的磨损机理。研究结果表明：6H-SiC晶片材料去除方式主要是脆性断裂,磨削后晶片的表面粗糙度为Ra0.108μm,且砂轮部分气孔被磨屑填充,金刚石磨粒有轻微的破碎与磨损现象。     

石英玻璃的高效可控精密磨削机理研究

<正>本文针对目前石英玻璃光学元件加工效率低,塑性域磨削难以实现的问题,研究了石英玻璃的高效可控精密磨削机理。从材料的力学响应机理及磨粒与工件接触区的应力状态入手,研究了石英玻璃磨削过程中的材料去除机理。建立了单颗磨粒划擦石英玻璃的弹性应力场解析模型。建立了磨削过程中单颗磨粒划擦原始损伤石英玻璃表面的裂纹失稳扩展临界函数,研究了石英玻璃表面微裂纹损伤的可控磨削机理。提出了石英玻璃的低裂纹损伤全脆性域磨削和高效可控塑性域干磨削工艺。     

纳米硬质合金高速深磨工艺试验研究

采用树脂结合剂金刚石砂轮对不同晶粒度硬质合金进行了高速深磨试验,对比分析了砂轮速度、磨削深度以及工作台速度对磨削力、表面粗糙度及磨削表面形貌的影响,分析了纳米硬质合金材料高速深磨去除机理。试验结果表明:随着砂轮速度增加,工作台速度降低和磨削深度减小,将导致最大未变形磨屑厚度减小,单位面积磨削力减小,比磨削能增加,表面塑性去除比例增加。随着晶粒度的减少,磨削力和比磨削能降低,表面粗糙度值减少,纳米硬质合金更易表现为脆性断裂方式去除。对纳米硬质合金采用高速深磨工艺技术可以提高加工效率,同时可以保证较好的表面质量。     

硬脆材料微磨削延性域复合临界条件建模及试验研究

分析硬脆材料微磨削表面形成机理并建立了微磨削槽磨未变形切屑厚度hm数学模型,引入微尺度效应系数Md、延性域系数与延-脆性域系数ζ0与ζ1,针对硬脆材料特性提出微磨削延性域,延-脆性域复合临界条件模型。基于精密微磨削机床进行钠钙玻璃与单晶硅这两种典型材料的微尺度槽磨磨削试验,通过对试验结果分析得出两种材料微磨削表面裂纹变化规律。基于实际试验数据结果对提出的硬脆材料微磨削复合临界条件模型进行验证,证明了所提出模型的科学性。分别给出钠钙玻璃与单晶硅的延性域与延-脆性域微磨削加工参数a0与a1,为硬脆材料微磨削延性域临界磨削条件研究提供了理论参考与试验依据。     

石英玻璃的热辅助高效塑性域干磨削

为了提高大口径石英玻璃光学元件的加工效率,提出了热辅助塑性域超精密磨削石英玻璃的新方法。分析了石英玻璃的热辅助塑性域磨削机理,通过理论推导得出磨削深度对磨削区表面最高温升的影响规律。采用陶瓷结合剂立方氮化硼(CBN)砂轮对石英玻璃进行干磨削,利用磨削热改善磨削区石英玻璃的力学性能,实现了石英玻璃的高效塑性域磨削。通过磨削实验研究了不同磨削深度对石英玻璃表面粗糙度(Ra)和亚表面损伤深度的影响。实验结果表明,随着磨削深度的增加,Ra和亚表面损伤深度反而降低。当磨削深度为5μm,大于粗磨表面的裂纹深度时,获得了Ra值为0.07μm的光滑无裂纹的塑性域磨削表面。通过扫描电镜观察研究了砂轮的磨损机理,结果显示陶瓷结合剂CBN砂轮塑性域干磨削石英玻璃时,砂轮以磨耗磨损为主,该结果为研究新型的陶瓷结合剂CBN砂轮提供了依据。     

超音速火焰喷涂WC-17Co涂层的高速磨削机理试验研究

针对超音速火焰喷涂WC-17Co高硬涂层的加工难题,对WC-17Co涂层进行了高速/超高速磨削试验。通过考察不同金刚石砂轮和磨削工艺参数对磨削力、磨削温度和表面残余应力、表面/亚表面微观形貌和表面粗糙度的影响,讨论了最大未变形切屑厚度与比磨削能的内在关系,分析了磨削温度对表面残余应力的作用规律,探讨了法向磨削力对涂层亚表面损伤的作用规律。结果表明：WC-17Co涂层磨削去除是脆性和延性去除并存;提高砂轮线速度将使磨削力先快速减小后缓慢增大,磨削温度持续升高,涂层磨削从脆性去除转为延性去除的趋势也逐渐增强,表面残余应力由压应力逐渐转变为拉应力,而磨削高温引起涂层热塑性变形是表面残余应力状态转变的根本原因。涂层亚表面磨削损伤层平均深度随法向磨削力的增大而变大。提高砂轮线速度、降低工作台速度和减小磨削深度均能增大涂层磨削塑性去除的比例。     

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。     

HIPSN轴承套圈内表面磨削力的测试与分析

采用树脂结合剂金刚石砂轮对热等静压氮化硅(HIPSN)陶瓷轴承套圈的内表面磨削,通过磨削力的测定以及磨削力比和比磨削能的计算,分析陶瓷材料的去除机理.该试验中陶瓷材料的去除机理以脆性去除为主并伴随有塑性去除;减小径向进给速度、提高工件转速可以增加切向磨削力,增加塑性去除,改善磨削表面质量.