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。     

基于微晶刚玉磨粒切削的20CrMnTi齿轮钢磨削机理研究

为了研究微晶刚玉砂轮对20CrMnTi低碳合金钢的磨削机制与磨削力规律,采用单颗微晶刚玉磨粒划擦实验模拟20CrMnTi钢的磨削加工过程,进而推导出了单颗磨粒划擦的磨削力数学模型公式。研究表明:20CrMnTi钢划痕呈现显著的塑性去除形式,且划擦过程伴随着显著的力值特征。法向力与切向力均随着划擦深度、进给速度的增大而增大,划擦深度对磨削力的作用更明显。单颗磨粒的磨削力源于切屑变形和摩擦,切屑变形引起的法向力和切向力之比为0.75,磨粒顶部与材料的摩擦系数为0.46。     

合金钢20CrMo的单颗磨粒高速磨削仿真研究

磨削是磨具表面大量形状各异且复杂多边形的磨粒参与切削工件的加工工艺,其过程复杂、试验观察困难,从而单颗磨粒切削研究成为研究磨削机理的重要手段。根据单颗磨粒的切削特点,分别建立其单颗CBN磨粒高速划擦的力学模型和有限仿真模型,利用数值仿真软件Matlab及有限元软件Abaqus对合金钢20Cr Mo的磨削进行了仿真研究。仿真结果表明单颗磨粒高速划擦的力学模型的正确性,同时分析了未变形切削厚度与其它磨削工艺参数在单颗磨粒切削过程中对磨削力的影响规律。     

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。     

单颗金刚石磨粒划擦20CrMnTi材料的划擦力研究

利用单颗金刚石磨粒划擦20Cr Mn Ti齿条试件试验来模拟成形磨削砂粒的磨削过程,采集了划擦过程中的划擦力,分析了划擦法向力和切向力信号的变化趋势,改变划擦深度与进给速度,探讨划擦深度与进给速度对划擦力的影响,研究不同磨粒粒度下的划擦力变化。结果表明:单颗金刚石磨粒划擦20Cr Mn Ti试件时的划擦法向力为驼峰形,而切向力波动更频繁;单颗磨粒的滑擦力随着滑擦深度、进给速度的增大而单调递增;相同条件下磨粒受到的划擦力随着磨料粒度号的增大而减小。     

超精密磨削YAG晶体的脆塑转变临界深度预测

钇铝石榴石（YAG）晶体是制造固体激光器的重要材料,超精密磨削是加工YAG晶体等硬脆材料零件的重要方法,研究硬脆材料加工表面的微观变形、脆塑转变机理对超精密磨削加工具有重要的指导作用。为了实现YAG晶体低损伤磨削加工,获得高质量表面,基于弹塑性接触理论和压痕断裂力学,通过分析单磨粒划擦作用下材料表面的变形过程,考虑材料的弹性回复、微观下力学性能的尺寸效应,建立了脆塑转变临界深度的预测模型,并计算得到YAG晶体的脆塑转变临界深度为66.7 nm。在此基础上,通过不同粒度砂轮超精密磨削YAG晶体试验对建立的脆塑转变临界深度预测模型进行验证,并计算不同粒度砂轮在相应工艺条件下的磨粒切深。结果表明,磨粒切深高于脆塑转变临界深度时,YAG晶体磨削表面材料以脆性方式被去除,磨削表面损伤严重;磨粒切深低于脆塑转变临界深度时,磨削表面材料以塑性方式被去除,能够获得高质量磨削表面,加工表面粗糙度达到1 nm。建立的脆塑转变临界深度预测模型能够为YAG晶体的低损伤超精密磨削加工提供理论指导。     

微晶玻璃超精密磨削的表面/亚表面损伤及其材料去除机理研究

针对微晶玻璃超精密磨削加工不可避免的表面/亚表面损伤问题,通过微晶玻璃磨削试验研究500#、1 500#、2 000#和5 000#金刚石砂轮磨削微晶玻璃的表面形貌、表面/亚表面损伤特征及其材料去除机理,揭示微晶玻璃脆性域磨削和塑性域磨削的表面/亚表面损伤特征,提出依次采用500#金刚石砂轮粗磨和5 000#金刚石砂轮精磨的微晶玻璃高效低损伤磨削工艺。结果表明,500#和1 500#金刚石砂轮磨削表面的材料去除方式为脆性断裂去除,2 000#金刚石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,5 000#金刚石砂轮磨削表面的材料去除方式为塑性流动去除;脆性域磨削微晶玻璃的表面损伤形式为凹坑、微裂纹、深划痕,亚表面损伤形式为微裂纹;塑性域磨削微晶玻璃的表面损伤形式为微磨痕,亚表面损伤形式为靠近磨削表面的材料的塑性流动。     

磨削速度对碳化硅陶瓷磨削损伤影响机制研究

碳化硅陶瓷高速磨削过程中,磨粒对工件材料强力冲击,应变率剧增、复杂显微结构对应力波传送响应转变,材料力学行为发生变化,目前高速磨削对材料去除机制影响的物理本质认识还不清楚。为此,开展磨削速度对SiC陶瓷磨削裂纹损伤影响机制研究。通过单颗磨粒磨削SiC陶瓷试验,分析了磨削速度对SiC陶瓷磨削表面形貌、磨削亚表面裂纹损伤深度、磨削力和磨削比能的影响规律。试验结果表明,当SiC陶瓷材料以脆性方式去除时,磨削速度对裂纹损伤影响最为显著,随着磨削速度从20 m/s增加到160 m/s,磨削亚表面裂纹损伤深度从12.1μm快速降低到6μm。采用Voronoi法建立了金刚石磨削多晶SiC陶瓷有限元仿真模型,当磨粒切厚为0.3μm,磨削亚表面损伤以微裂纹为主;当磨粒切厚为1μm时,随着磨削速度增加,磨削亚表面裂纹损伤深度从14.7μm降低到4.6μm,磨削亚表面宏观沿晶裂纹逐渐变为微观裂纹。基于位错理论和冲击动力学理论,揭示了高速磨削过程中位错密度的增加和晶界反射应力波对应力场削弱作用是高速磨削SiC陶瓷裂纹损伤“趋肤效应”产生的机理。     

多晶碳化硅陶瓷磨削裂纹损伤形成机理研究

当前碳化硅陶瓷类硬脆材料磨削损伤形成机理研究主要是基于经典压痕断裂力学基础理论,然而对于具有复杂显微结构的陶瓷材料,磨削亚表面裂纹损伤形式和萌生扩展机理未必遵循经典压痕断裂力学理论。有鉴于此,重点从陶瓷材料显微结构层面开展碳化硅陶瓷磨削损伤形成机理研究,采用单颗金刚石磨粒轴向进给磨削试验方法,借助聚焦离子束、透射电镜等设备,分析碳化硅陶瓷磨削损伤特点,发现穿晶裂纹具有显著择优取向性,晶界对裂纹萌生具有显著诱导作用、对裂纹扩展具有显著阻碍作用;提出了SiC陶瓷磨削亚表面晶界裂纹系统,揭示了位错在晶界处塞积是晶界裂纹系统产生的机理;随磨削进行,SiC陶瓷磨削亚表面晶界裂纹系统分别经历位错激发、位错运动至晶界处堆积、晶界处微裂纹萌生、晶界处微裂纹扩展汇合形成宏观沿晶裂纹和穿晶裂纹、裂纹扩展至磨削表面形成破碎凹坑五个跨尺度演化过程;基于位错塞积理论建立了晶界裂纹系统一般性的断裂力学模型,解析裂纹萌生与扩展临界条件;建立了晶粒尺度单颗金刚石磨削多晶SiC陶瓷有限元仿真模型,验证了SiC陶瓷磨削亚表面晶界裂纹系统模型的准确性。     

轨道车辆制动盘磨粒磨损热仿真分析

针对轨道车辆在运行过程中制动盘出现的磨粒磨损现象,通过基于LS-DYNA有限元软件对单颗磨粒划擦制动盘进行仿真,研究制动盘材料在受到磨粒磨损时的热影响规律。研究表明:制动盘在受到磨粒划擦时,随着划擦速度的提高,制动盘表面产生的温度增高;划擦深度对制动盘产生的温度影响不大,研究成果对制动盘表面设计制动提供理论参考。     

碳化硅陶瓷超声振动辅助磨削材料去除特性研究

为揭示碳化硅陶瓷超声振动辅助磨削材料去除特性,开展了光滑粒子流体动力学(SPH)单颗金刚石磨粒划擦仿真模拟,同时构建了超声振动划擦试验台,进行了单点金刚石超声振动划擦试验研究。结果发现:超声振动划擦中,材料去除根据切深的不同分为断续切削模式及连续切削模式;无超声作用划擦中的材料仅存在连续切削去除模式;超声振动作用的碳化硅陶瓷延性-脆性转移深度大于无超声作用下的延性-脆性转移深度。此外,通过碳化硅陶瓷超声内圆磨削试验结果同样发现超声振动作用下的延性-脆性转移深度变大,说明超声振动辅助磨削更容易实现延性域磨削。     

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。     

单颗磨粒超声振动辅助划擦C/SiC复合材料三维有限元仿真

采用有限元分析软件ABAQUS建立反映C/SiC复合材料编织结构的三维仿真模型,模拟单颗金刚石磨粒划擦C/SiC复合材料的去除过程,获得划擦过程中材料上的应力、应变分布与磨削力变化曲线.通过试验获得相同划擦条件下的磨削力值,与模拟值比较,平均轴向力误差值为8.9％,平均切向力误差值为11.2％.仿真结果解释了试验中有、...     

基于单颗磨粒玻璃磨削机理的仿真研究

从仿真角度研究了单颗金刚石磨粒的磨削机理;建立了单颗磨粒磨削玻璃等脆性材料的仿真模型,在此基础上,通过有限元软件对不同磨削条件下的单颗金刚石磨粒的磨削过程进行了仿真。最后从最大拉应力、磨削力两个方面对仿真结果进行了分析,研究了砂轮线速度、磨削深度对最大拉应力和磨削力的影响。     

基于ABAQUS的工程陶瓷单颗磨粒磨削仿真

设计单因素仿真实验,利用ABAQUS对单颗磨粒磨削过程进行仿真,分析结果。对单颗粒磨削过程中划擦、耕犁及切削三个阶段中材料应变进行讨论。并对不同仿真磨削参数下的法向磨削力进行比较,随砂轮线速度的增大而减小,随工件线速度的增大而增大。表明ABAQUS有限元仿真对磨削过程研究具有参考价值。     

钎焊金刚石砂轮高速磨削氧化铝的磨削比能研究

采用自制的钎焊金刚石砂轮对氧化铝陶瓷进行高速磨削试验研究,重点探讨不同磨削参数对磨削比能的影响。结果表明:磨削比能随砂轮线速度的增大而增大,而随磨削深度、工件速度和材料去除率的增大而减小;磨削比能与单颗磨粒最大切削厚度有直接的关系;在磨削过程中,大部分磨削能量消耗于金刚石磨粒对陶瓷工件的滑擦与塑性耕犁。     

单颗磨粒磨削基础理论与实验研究进展

磨削加工机理十分复杂并困难,可以将磨削加工简化为单颗磨粒磨削进行研究。针对磨削加工的本质,分析了单颗磨粒磨削基础理论,讨论了当前单颗磨粒磨削实验的研究现状。具体分析了国内外学者采用的不同实验方法,以及单颗磨粒的磨削特性以及不同特性材料的成屑机理。最后分析了单颗磨粒磨削理论与实验的研究难点,并指出了其进一步的研究方向。     

旋转式超声波加工机理的有限元分析

利用有限元软件LS-DYNA建立了单颗磨粒旋转冲击玻璃工件的模型,计算模拟出工件受冲击的材料去除过程,分析了材料去除机理。模拟结果表明:冲击瞬间,裂纹交汇,接触区材料大片剥落;冲击过程中,工件表面裂纹开叉扩展,内部裂纹发展成亚表面层裂,磨粒持续压溃材料;切削力小,随着切削深度的增加,切削力变大。利用有限元软件LSDYNA对金刚石磨粒冲击玻璃材料的过程进行数值模拟,计算冲击过程的形变和切削力,研究工件表面和内部裂纹的产生与扩展过程,分析材料去除机理。     

单颗粒金刚石划擦工程陶瓷的断裂强度研究

为揭示磨削加工中砂轮单个磨粒对工程陶瓷断裂强度的作用规律,利用单颗粒金刚石磨具划擦模拟砂粒实际磨削过程。采用不同顶锥角与尖端圆弧半径的自制金刚石颗粒,改变划擦用量和冷却工况,划擦几种典型陶瓷材料表面并分析颗粒划擦作用对试件断裂强度的影响。结果发现,试件划擦后断裂强度随磨粒顶锥角和尖端圆弧半径的增大而提高;随工作台进给速度和划擦深度增加逐渐降低;与湿式划擦相比,干式划擦使陶瓷试件断裂强度趋于劣化。该变化规律符合磨削加工对试件强度特性的影响机制,证明单颗粒金刚石划擦试验的有效性。