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工程陶瓷超声辅助固着磨料高效研磨机理及试验研究

焦锋  
【摘要】: 工程陶瓷零件的精密超精密加工技术越来越被得到重视,不同的精整加工方法被提出和应用。固着磨料高效研磨技术是在离散磨料研磨基础上发展起来的一种精整加工技术,兼具超精密磨削和传统研磨的特点,较好解决了传统的游离磨料研磨效率低、磨料浪费严重、研磨质量不易控制等缺点,并且克服了传统超精密磨削中对环境和机床依赖性大等不足。同时考虑到超声振动加工方法在加工硬脆材料方面独特的优越性,本文提出了采用固着磨料对工程陶瓷进行超声辅助研磨这一课题,将特种加工与普通超精密加工技术相结合,高效获得工程陶瓷材料高精密超光滑加工表面。 本课题在河南省杰出人才创新基金和河南省自然科学基金的资助下,选择常见的Al2O3、ZrO2工程陶瓷和目前陶瓷界研究热点之一的ZTA复相陶瓷作为研究对象,对工程陶瓷的超声辅助固着磨料高效研磨机理及其表面加工质量进行了系统的理论和试验研究。研究内容主要包括: 1.针对工程陶瓷精密外圆类零件的高效精密加工要求,提出超声辅助固着磨料高效研磨技术,并研制出相应的加工装置。采用有限元方法结合振动特性试验对超声研磨装置声学系统振动特性进行分析,获得在发生器频率可调范围内的系统固有频率和振型及研具内外两条金刚石丸片路径的振动幅值分布特性,研究结果为超声辅助固着磨料高效研磨机理及相关试验的研究提供有力的保证。 2.通过对圆柱面超声辅助固着磨料研磨磨粒运动特性进行分析,建立了无附加超声、附加轴向、径向和切向超声振动四种模式下的单颗磨粒运动模型。基于压痕断裂力学,结合单点金刚石超声辅助单摆刻划试验,对三种超声辅助方式下的工件材料去除机理进行研究,分析了辅助超声能够增大延性加工范围的原因。基于冲量理论和振动加工理论,对附加超声振动的磨粒受力进行分析,建立了在延性域和脆性域的材料去除率理论模型,并定性讨论了影响工程陶瓷研磨去除率的因素及规律。 3.试验研究了研磨参数对材料延性去除与脆性断裂比例的影响规律及研磨过程平均研磨分力比与材料脆延去除特性之间的关系。通过对ZTA陶瓷超声辅助单点金刚石单摆刻划过程的声发射信号进行时频分析,结合划痕CCI图像,获得材料脆延去除特征频率范围。构建工程陶瓷超声辅助研磨材料脆延去除特性在线监测系统,通过小波包分析,建立了基于小波包分解频带能量的材料脆延去除特性在线监测判据。 4.从表面形貌、表面粗糙度、表面分形特性、表面残余应力特性以及表面物相结构的变化等五方面,对ZrO2、Al2O3和ZTA三种工程陶瓷材料超声辅助固着磨料研磨表面质量进行研究,获得不同加工方式和参数对研磨表面质量的影响规律,研究结果表明超声振动的附加在一定程度上改善了表面加工质量。 5.结合生产实践要求,基于响应曲面法(RSM)建立了工程陶瓷超声辅助研磨加工材料去除率和表面粗糙度的预测模型;综合处理高效与精密的关系,以最大材料去除率为目标变量,以表面粗糙度为约束变量,同时考虑机床和工件的实际约束条件,建立了超声研磨参数优化数学模型,应用遗传算法(GA)对超声辅助研磨参数进行了寻优并进行了工程实例验证。 课题研究结果有助于揭示工程陶瓷超声辅助高效精密加工机理,完善和发展工程陶瓷固着磨料研磨加工新技术,寻求高效精密延性域研磨加工新工艺,进一步推动工程陶瓷的工程实际应用。


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