氧化锆陶瓷超声磨削实验及磨削力模型研究

为了研究氧化锆陶瓷超声磨削机理,分别设计了超声和非超声磨削情况三因素-三水平的正交试验,基于实验数据开展了磨削力影响因素分析和极差分析,并构建了磨削力模型。研究结论如下:超声磨削情况下,磨削力随主轴转速的提高而降低,随磨削深度、进给速度的增大而增大;沿进给方向的力和沿磨削宽度方向的磨削力主次影响顺序为主轴转速、磨削深度、进给速度,沿磨削深度的磨削力主次影响顺序为主轴转速、进给速度、磨削深度;非超声磨削情况下,磨削力随主轴转速和磨削深度的增大而降低,随进给速度的增大而增大;三个方向的磨削力的主次影响顺序都为主轴转速、进给速度、磨削深度。对比超声和非超声,发现超声磨削情况下可获得20%～30%磨削力减小,且超声对金刚石磨头的磨损程度最小。研究可为氧化锆陶瓷磨削机理研究提供重要参考。     

碳化硅陶瓷的超声振动辅助磨削

采用普通磨削方式和超声振动辅助磨削方式对无压烧结SiC材料进行了磨削工艺实验,对不同磨削方式下磨削参数对磨削力比、表面损伤及亚表面损伤的影响进行了对比研究,并分析了超声振动磨削作用机制。实验结果显示,该实验中SiC材料去除主要以脆性去除为主,砂轮磨削力比随着磨削深度和进给速度的增加缓慢增加,随着主轴转速的增加略有减小;普通磨削时SiC工件亚表面损伤深度随着磨削深度、进给速度增加逐渐增加,而超声振动辅助磨削变化较小。与普通磨削相比,在相同的磨削参数下,超声振动辅助磨削的高频冲击使材料破碎断裂情况得到改善,且磨削力比减小近1/3,表面裂纹、SiC晶粒脱落、剥落等表面损伤较少,表面损伤层较浅,亚表面裂纹数量及深度都有较大程度降低,可以获得较为理想的表面质量。     

光学玻璃超声振动磨削亚表面损伤的试验研究

进行光学玻璃BK7超声振动辅助磨削试验,采用截面抛光法配合HF酸腐蚀法并通过扫描电子显微镜观测获得亚表面裂纹的最大深度,研究了主轴转速、磨削深度、进给速度和超声振动振幅对亚表面损伤裂纹最大深度的影响规律,分析了亚表面裂纹的几种形态及其成因。结果表明,随着主轴转速和超声振动振幅增大,磨削深度及进给速度减小,亚表面最大裂纹深度明显减小。超声振动的引入改善了磨削时的加工条件,对提高加工表面及亚表面的质量有一定帮助。     

纳米ZrO2陶瓷超声振动磨削表面残余应力试验研究

采用超声振动磨削和普通磨削方式,利用X射线衍射分析仪,对纳米氧化锆陶瓷表面残余应力进行了研究.实验结果表明,纳米氧化锆陶瓷磨削表面产生的残余应力都表现为压应力;随着磨削深度的增加,超声振动磨削表面残余应力减小趋势较缓;磨削表面残余应力随着磨粒的增大呈上升趋势,且普通磨削表面残余应力上升的趋势较超声振动磨削的要快.     

氧化锆陶瓷超声辅助磨削表面质量试验研究

为研究不同工具对超声辅助磨削后工件表面质量的影响,在超声振动方向垂直于磨削表面的条件下,采用电镀磨头与钎焊磨头,针对氧化锆陶瓷开展了超声辅助磨削试验,对2种磨头普通磨削及超声辅助磨削所获得的加工表面形貌及表面粗糙度进行了对比分析。结果表明,相同磨削用量条件下,电镀磨头磨削后的工件表面相对于钎焊磨头破碎现象有所加剧,表面质量较差;钎焊磨头磨削后工件表面塑性去除区域较电镀磨头增长明显;在超声辅助磨削条件下,钎焊磨头磨削后的工件表面粗糙度Ra的下降幅度最大为33.6%,优于电镀磨头磨削后的工件表面粗糙度Ra的最大下降幅度(25.7%)。     

纳米复相陶瓷材料超声振动磨削实验研究

选择纳米ZrO2螳韧Al2O3（ZTA）复相陶瓷为研究对象,对纳米ZrO2陶瓷改性后材料的强韧性比原材料提高了30％,硬度下降不大于5％。在超声振动磨削条件下对该材料的表面形成进行了试验研究,并与普通磨削的磨削效果作了对比分析。     

二维超声磨削纳米氧化锆陶瓷的磨削力特性研究

对纳米氧化锆陶瓷在二维超声磨削条件下的磨削力进行了理论分析与实验研究,并与相同磨削参数下的普通磨削方式的磨削力进行了比较和分析。研究表明:与普通磨削相比,二维超声磨削可获得椭螺线式的加工轨迹,大大减小了平均磨削力,扩大了纳米陶瓷的塑性加工域,表面质量得到明显的改善。     

超声振动螺线磨削表面微观形貌建模与仿真研究

为了实现高效率、高质量、低损伤的硬脆材料加工,对工件或砂轮同时施加砂轮轴向和径向的超声振动,该方法的显著特点是磨粒切削轨迹呈三维空间螺旋线型,将其定义为超声振动螺线磨削方法。在磨削工艺和二维超声振动的多参数共同作用下,材料去除机理产生复杂变化,表面微观形貌创出过程变得极其复杂。为此,提出一种超声振动螺线磨削加工表面数值仿真方法。基于超声振动螺线磨削几何映射关系,建立磨粒相对工件的空间螺旋线切削运动模型,进而给出超声振动螺线磨削加工表面生成模型,模拟出普通磨削和超声振动磨削的三维表面微观形貌,对比分析了超声振动对表面形成过程的影响规律。最后将仿真表面与磨削试验表面对比,发现两者微观形貌特征规律基本一致,验证了仿真方法的正确性和有效性。     

超声振动磨削陶瓷的温度场特性研究

采用人工热电偶法,通过普通磨削和超声振动磨削对比实验,对陶瓷材料ZrO2平面磨削的温度场进行了实验研究。并对磨削参数与磨削温度的关系,进行了理论分析及实验验证。结论表明:距磨削表面越远,其磨削温度的峰值越远离热源;增大磨削深度、提高磨削速度和工作台进给速度都会使工件表面温度升高。正交试验表明,磨削深度对温度场的影响较大。普通磨削时工件表层的温度较高,易发生磨削烧伤,采用超声复合磨削能有效降低工件表层温度。     

Al2O3/ZrO2(n)陶瓷二维超声振动磨削表面特征试验研究

基于Al2O3/ZrO2(n)微-纳米复合陶瓷的"晶内型"微观结构,进行了二维超声振动磨削与普通磨削对比试验研究。应用AFM重点分析了微-纳米复合陶瓷二维超声振动磨削表面特征。AFM轮廓特征分析表明:同样磨削条件下,二维超声振动磨削表面峰谷较均匀,磨削表面均匀一致性优于普通磨削表面,二维超声振动磨削更易于实现塑性域磨削,可提高陶瓷磨削表面质量。     

基于虚拟仪器的超声磨削振动特性实验研究

虚拟仪器可利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析和处理,所以采用虚拟仪器技术对磨削在线加工进行测试,以Labview为开发平台,建立磨削住线加工的振动信号测试系统,从而分析超声振动磨削特性。本文对纳米复相陶瓷材料振动特性进行实验研究,得出如下结论：超声振动频率始终保持在20．923kHz左右,超声振动的振幅随着所加功率的增大而增大;功率对超声振动的振幅影响较大,相同功率下系统实际振动振幅比理论值小。     

工程陶瓷纵扭复合超声振动螺旋磨削 制孔表面质量研究

针对工程陶瓷传统磨削制孔存在表面质量较差等问题,对超声振动辅助加工及螺旋加工的工艺优势进行了归纳分析,提出了纵扭复合超声振动螺旋磨削制孔的加工方法。利用超声加工机床和白光干涉仪及马尔表面轮廓仪,对纵扭复合超声加工、纵向超声加工和普通磨削加工对孔表面质量的影响情况进行了研究;并进一步探究了施加纵扭复合超声振动后超声振幅、螺距、主轴转速、螺旋进给速度对加工孔表面质量的影响规律。研究结果表明:相比纵向超声加工和普通加工,纵扭复合超声加工有利于提高制孔表面质量;纵扭超声螺旋磨削加工超声振幅、螺距对孔底和孔壁表面粗糙度的影响趋势相似,主轴转速及螺旋进给速度对两者表面粗糙度的影响趋势总体上相反。     

纳米ZrO2陶瓷的超声振动延性域磨削特性研究

本文分析了纳米ZrO2陶瓷在普通和超声磨削状态下的裂纹扩展过程及延性去除机理;通过对不同磨削状态的磨削力及AFM和SEM对表面质量的观察,做了在普通和超声磨削状态下的对比试验,研究了临界延性磨削深度对磨削力及表面质量的影响关系;基于超声振动磨削过程及磨削力的分析,讨论了超声振动增加延性磨削深度的原因,最后通过AFM对延性域加工表面形貌的形成机理进行了观察。研究表明：超声加工能明显提高纳米ZrO2陶瓷的临界延性磨削深度,振动方向垂直于砂轮线速度方向时,其磨削效果要优于振动方向平行于砂轮速度方向的磨削效果。通过在延性域范围内磨削,超声加工能高效地获得纳米加工表面,超精密磨削表面是由不同幅值多种波形叠加的结果。     

蓝宝石不同晶面轴向超声振动辅助磨削特性研究

选取蓝宝石的A面、C面、M面及R面开展轴向超声振动辅助磨削试验,并从磨削力、比磨削能、表面粗糙度及表面形貌等角度对比蓝宝石四个晶面超声振动辅助磨削效果的差异。施加超声振动辅助磨削时,蓝宝石四个晶面的磨削力、比磨削能及表面粗糙度相对未施加超声振动时均有所减小,且工件表面损伤裂纹较小,表面质量更好;蓝宝石不同晶面在施加超声振动时的磨削力、比磨削能和表面粗糙度的减小比例不同,C面的减小比例最小,M面和A面的减小比例较大,R面的减小比例最大;超声振动辅助磨削蓝宝石四个晶面时,R面的改善效果最好,其次是M面和A面,C面的改善效果较差,这反映工件材料的脆性越大,超声辅助磨削对加工质量的改善效果越明显。     

工程陶瓷磨削表面/亚表面损伤的产生及其控制

总结讨论了国内外在陶瓷磨削表面/亚表面损伤方面所作的研究及其所取得的成果;讨论了表面/亚表面裂纹和残余应力产生的原因及扩展机理;探讨了控制陶瓷磨削表面/亚表面损伤的途径;指出了当前研究所存在的问题及今后需要努力地方向。     

单晶硅二维超声振动辅助磨削技术的实现

基于超声振动磨削能有效提高加工效率及加工表面质量的特性,通过设计具有伸缩和弯曲两种模态的压电陶瓷椭圆振子,实现了单晶硅二维椭圆振动磨削技术。对超声振子的振动特性进行检测,证实改变压电陶瓷两电极之间的交流信号相位差和电压幅值,可得到不同形状和振幅的椭圆振动。对单晶硅进行超声磨削与普通磨削的对比试验,结果表明二维振动磨削的磨削力大幅降低,表面粗糙度显著减小,表面质量明显提高,加工表面延性域去除比例增加。从而证实二维超声振动磨削方法能够实现高效率高质量单晶硅加工。     

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。     

超声振动磨削运动学分析

建立了超声振动磨削加工过程数学模型,对超声振动磨削运动学特性进行了分析,通过引入速度系数K探讨了砂轮的位移和加速度的变化规律及其对加工过程的影响.分析了单颗磨粒在超声振动磨削过程中的运动特点及运动速度的变化规律.指出切削速度方向超声振动磨削具有分离、熨压和冲击的特点.     

超声振动外圆珩磨磨削力研究

切削力不仅是传统切削加工中需要解决的一大问题,在超声振动切削技术的研究中也是作为研究的重点。虽然超声振动切削的磨削力小这一工艺效果客观存在且被各个国家学者一致认同,但对其机理却有着不同的解释。本文通过理论模型的建立结合有限元分析软件对其机理进行解释。