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《南京航空航天大学》 2007年
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陶瓷型面的数控展成蠕动进给超声磨削技术的基础研究

郑建新  
【摘要】: 工程陶瓷由于其优良的物理力学性能在切削工具、汽车、航空航天及仪器仪表等诸多领域都有广泛的应用前景。但由于陶瓷材料同时具有高硬度、高脆性和低断裂韧性等特点,是典型的难加工材料。特别是陶瓷材料的成形加工是长期以来希望解决、而至今仍未解决好的难题。而使用陶瓷材料来制造发动机上某些关键零部件以提升发动机的性能,是当前发达国家的研究重点之一。本文为解决陶瓷整体叶轮的加工难题,研究探索一种类似于数控仿形侧铣加工的陶瓷叶片型面超声磨削加工技术,即陶瓷型面的数控展成蠕动进给超声磨削技术。主要研究内容包括: (1)对实验室原超声磨削型面加工机床进行改进以提升其性能,为后续试验提供可靠的试验平台。新增设了电机变频调速控制系统和磨轮驱动系统,并对超声振动系统进行了改进,以实现磨削过程平稳、磨轮定位准确且磨轮转速稳定可控。简要介绍了各单元的功能和设计过程。 (2)对超声加工声学系统的关键部件——阶梯形变幅杆进行了仿真分析研究。考虑到一方面依理论设计的变幅杆其性能参数并不能完全满足试验要求,另一方面变幅杆在工程应用中存在的特殊结构(如过渡圆弧、匹配长度、法兰盘和螺纹孔等)会造成其性能参数的改变,而利用解析法难以对此求解。论文通过模态分析解决了这一难题,研究了过渡圆弧半径、匹配长度和连接部件等对阶梯形变幅杆谐振频率、位移节点和放大系数的影响规律,并根据模态分析结果设计了变幅杆。对实际变幅杆利用高频扫描激光测振系统进行了振动特性测试,实测结果与模态分析结果基本吻合,偏差在2.1%以内,表明模态分析结果可信。 (3)对蠕动进给超声磨削加工技术基础理论进行了研究。首先分析了陶瓷材料延性域磨削加工的可行性,基于压痕断裂力学理论,探讨了陶瓷材料延性域超声磨削机理,并给出了延性域超声磨削的临界条件。然后从理论上分析了陶瓷材料蠕动进给超声磨削时去除材料所需的静载荷模型。该模型表明:当整个磨轮完全切入陶瓷材料后,在超声振动的作用下,将造成其磨削力降低,这将有利于陶瓷叶片型面数控展成蠕动进给超声磨削加工的顺利进行。通过分析单个磨粒的磨削参数,从理论上分析了利用小直径磨轮进行蠕动进给超声磨削的加工过程,给出了蠕动进给超声磨削加工过程中磨粒的最大磨削厚度、磨轮一转中磨粒的磨削弧长和扇形凹口高度的理论计算公式。 (4)利用小直径磨轮进行了Al2O3陶瓷材料蠕动磨削试验,对比研究了超声和机械磨削中磨削参数对表面粗糙度和材料去除率的影响。采用小直径磨轮进行蠕动磨削时,超声磨削和机械磨削存在不同之处,从理论上给予了解释。深入研究表明,给工件施加一个附加的进给运动后,可以显著降低加工表面粗糙度值,而材料去除率都有所增大。当通过增大磨轮直径而提高磨削速度时,磨削结果更接近于通常磨削理论分析的情况。最后通过正交试验研究了磨削参数对加工表面粗糙度值和材料去除率的影响规律和显著程度。 (5)基于平面超声磨削试验结果,进行了陶瓷叶片型面超声磨削基础工艺试验研究。构造了直纹面叶片型面数学模型,进行了加工误差分析,编制了数控加工程序并进行了基础工艺试验,首次在Al2O3陶瓷坯料上直接加工出完整的直纹面叶片型面。
【学位授予单位】:南京航空航天大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TG663

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