透波性Si3N4陶瓷铣削过程刀具-工件摩擦特性

透波性Si_3N_4陶瓷是制造天线窗的主要材料之一,铣削过程中刀具-工件摩擦特性与加工表面形貌紧密相关.本文以透波性Si_3N_4陶瓷铣削加工为研究对象,通过分析加工过程中刀具-工件接触关系得到摩擦接触区域主要集中于切削刃后刀面与工件表面;探究了不同加工机理下接触区域摩擦机理,塑性域加工摩擦机理为粘着摩擦、刀具表面粗糙度波峰犁沟摩擦和陶瓷粉末滚动摩擦,脆性域加工还包含碎裂型陶瓷颗粒犁沟摩擦;在此基础上应用已有的微观表面形态与表面接触的摩擦力及摩擦系数理论给出了Si_3N_4陶瓷与铣刀材料的摩擦系数计算公式;通过实验对分析结果进行了验证.结果表明:透波性Si_3N_4陶瓷加工机理转变的临界切深值大于0.3 mm且小于0.4 mm;摩擦系数计算公式最大误差率为20.46%,能在一定程度上反映加工过程中摩擦特性演化规律;加工机理初始转变阶段,摩擦系数值降低,且摩擦系数对表面粗糙度影响呈现三阶多项式分布规律.该研究为提高透波性Si_3N_4陶瓷铣削加工表面质量提供了参考.     

Si_3N_4陶瓷旋转超声磨削加工的表面摩擦特性

为了探索结构陶瓷材料在摩擦过程中表面形貌的变化规律及其对摩擦特性影响,分析了摩擦过程中材料的接触过程及力学关系,并对旋转超声磨削加工的Si3N4陶瓷试样开展了摩擦表面形貌、摩擦因数等特性的试验研究。首先根据接触特点和材料特性,基于分形理论推导出接触面总载荷计算公式,基于该公式建立了结构陶瓷摩擦因数分形模型。分析结果表明:当初始表面轮廓分形维数分别为1.4,1.45,1.5和1.55时,摩擦因数与摩擦后表面轮廓分形维数呈类似正态分布曲线。然后通过旋转超声磨削加工的Si3N4陶瓷试样面面接触摩擦试验,研究了摩擦后陶瓷材料表面微观形貌和摩擦因数变化规律,分析了各因素对摩擦因数的影响。试验结果表明:产生微观裂纹是Si3N4陶瓷摩擦后表面微观形貌的显著特点;温度值等于160℃是Si3N4陶瓷摩擦因数由下降转为上升的拐点;当施加载荷为360N和往复频率为80Hz时,摩擦因数最大。得到的结果为通过表面形貌控制提高结构陶瓷耐磨性能提供了技术支撑。     

超声旋转磨削中刀具结合剂对切削力影响研究

研究了超声旋转磨削加工陶瓷材料中金刚石刀具结合剂对其切削性能的影响。通过对单个金刚石颗粒在超声旋转磨削加工过程中的运动分析,推导出切削力理论公式;同时通过实验得到陶瓷基、铁基和青铜基三种结合剂刀具加工Si3N4工程陶瓷(致密度70%)过程中X、Y、Z方向上的切削力。通过分析理论公式和试验数据,发现在超声旋转磨削加工过程中,刀具结合剂种类直接决定了刀具的磨损形式和磨损程度,是影响切削力大小的主要原因之一。     

轴向超声振动辅助铣削力的建模与实验研究

轴向超声振动辅助铣削工艺是近年来铣削领域的最新进展之一,目前对于轴向超声振动铣削力建模的研究相对较少.针对这一问题,提出了一个考虑轴向振动的超声铣削力建模方法.根据空间中刀尖运动轨迹的坐标,建立了准确的瞬时切厚模型,得到不同切削角度下切屑形成力和摩擦力模型.将铣削力与未变形的切屑截面面积建立函数关系,考虑了瞬时未变形切厚模型以及瞬时切深模型,得到了轴向冲击力模型.结合切屑形成力模型、摩擦力模型和轴向冲击力模型得到轴向超声振动辅助铣削力模型.研究结果表明:预测的铣削力变化趋向与实验测得的铣削力变化趋向吻合,最大峰值力的误差范围在7.53％～17.35％之间.本文结果将为超声振动辅助铣削工艺的优化研究提供理论基础.     

工程陶瓷脆性域旋转超声磨削加工切削力研究

为了解决由于工艺参数取值范围和实验次数有限而造成的实验结果局限性,对工程陶瓷脆性域旋转超声磨削加工切削力进行了研究。在旋转超声磨削加工机理研究基础上,结合弹塑性力学和压痕断裂力学,采用动量定理和动能定理,推导了单个金刚石端面加工和侧面加工切削力计算公式,并建立了工程陶瓷脆性域旋转超声磨削加工切削力数学模型。最后通过实验对切削力数学模型进行验证,结果表明:切削力模型计算值与实验值误差低于8%,可满足工程应用,为工艺参数优化提供了依据。     

旋转超声磨削Si3 N4陶瓷用金刚石磨具磨损行为研究

热压烧结Si₃N₄陶瓷材料常应用于航天飞行器中关键耐高温零部件,但由于高硬度和低断裂韧性,其加工效率和加工表面质量难以满足制造需求。为了提高热压烧结Si₃N₄陶瓷旋转超声磨削加工质量,减小由于金刚石磨具磨损带来的加工误差,开展了磨具磨损行为研究。基于热压烧结Si₃N₄陶瓷旋转超声磨削加工实验,分析了金刚石磨具磨损形式;基于回归分析建立了金刚石磨具磨损量数学模型,揭示了加工参数及磨具参数与金刚石磨具磨损量间映射关系;并研究了磨损形式与磨具磨损量及加工表面粗糙度影响规律。结果表明：磨粒磨耗是旋转超声磨削Si₃N₄陶瓷用金刚石磨具最主要磨损形式,比例超过50%;主轴转速和磨粒粒度对磨具磨损量影响最为显著;且磨损量较小时,加工表面粗糙度值反而增加。以上研究可为提高旋转超声磨削Si₃N₄陶瓷加工精度和加工质量提供指导。