超声振动辅助磨削中磨粒—工件相互作用机制的研究

摘要

随着科技的发展,硬脆性材料的需求越来越多，对一些关键零件的加工效率、加工质量和加工精度提出了新的要求。这些硬脆材料传统磨削加工容易产生较大的磨削力和较高的磨削温度，最终导致加工件的表面/亚表面损伤以及砂轮磨损严重，降低砂轮的使用寿命。为解决这些问题，有学者将超声振动与传统磨削加工技术结合起来。实践证明实超声振动辅助磨削技术能够提高材料的去除率、提高加工表面质量与加工精度、降低工件表面损伤、减小砂轮磨损提高砂轮的使用寿命。本文拟通过单颗磨粒切削探讨超声磨削中磨粒—工件的相互作用，为进一步研究超声振动磨削机理奠定基础。
　　本文建立了超声振动辅助磨削中磨粒与工件相互作用时的运动学模型，分析超声振动对磨粒的切削弧长以及切削路径的作用，并在Matlab软件里仿真超声加工中磨粒的切削轨迹，并在此基础上建立工件的表面成形机制。在理论分析的基础上进行超声振动下单颗金刚石划擦玻璃的实验，系统分析磨粒与工件的相互作用力，阐述超声振动对磨粒与工件相互作用力的影响，采集并分析磨粒与工件相互作用时产生的声发射信号，最终对比两种划擦方式下的划痕形貌(划痕长度、划痕体积、划痕高度、划痕底部显微形貌）。
　　本文的主要研究结果概括如下：
　　1.径向超声振动下磨粒的接触弧长大于普通划擦并且磨粒的运动轨迹是空间正弦曲线，并且磨粒与工件是断续接触。磨粒在接触弧区内的振动次数和磨粒线速度负相关，和磨粒实际切深正相关，和超声振动频率正相关，超声振动振幅主要影响磨粒与工件的干涉程度。
　　2.施加超声振动后单道划痕的法向力与切向力信号均沿划痕对称，但力信号的波动程度要大于普通划擦。施加超声振动后划擦力显著减小，并且随着线速度的降低、切深的减小超声振动对划擦力的减小更为显著；超声振幅、振动频率对划擦力均有影响，划擦力随着振幅的增加而增大，随着振动频率的增大而减小。
　　3.超声划擦时声发射信号的低频调制现象，它的峰值频率要大于普通划擦，并且超声振动频率越高，峰值频率分布就越高；超声划擦和普通划擦时声发射信号的能量分布主要区别是在第一频带，同时超声划擦时的能量分布比较集中，当振幅较大时会导致声发射信号的能量分布范围变宽。
　　4.超声振动的施加增大了划痕长度和划痕体积，说明了超声振动磨削能够提高材料的去除率；超声划擦时划痕底部的破碎程度、破碎尺寸均小于普通划擦，说明相对于普通加工超声振动加工能够在一定程度上抑制材料的破碎，提高工件的加工质量。

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第1章 绪论

1.1 超声振动磨削在脆性材料加工中的优势

1.2 超声振动辅助磨削技术研究现状

1.3 磨削加工中中磨粒—工件相互作用的研究现状

1.4 超声振动磨削中磨粒—工件相互作用研究现状

1.5 本课题研究思路及主要研究内容

第2章 超声振动辅助磨削中磨粒的运动学分析

2.1 径向超声振动下磨粒—工件的运动学模型

2.2 超声振动划擦工件的表面成形机理分析

2.3 本章小结

第3章 实验内容与实验条件

3.1 超声振动系统

3.2 实验系统

3.3 实验内容与实验方案

第4章 磨粒与工件相互作用力研究

4.1 金刚石与工件间的相互作用机制

4.2 单道划痕力信号变化特征分析

4.3 实验参数对划擦力的影响

4.4 划擦力比分析

4.5 本章小结

第5章 磨粒与工件相互作用时发射信号研究

5.1 单颗磨粒划擦过程中的声发射信号特征

5.2 声发射信号的谱分析

5.3 声发射信号的小波包分析

5.5 本章总结

第6章 工件表面划痕特征研究

6.1 划痕长度研究

6.2 材料去除体积研究

6.3 沟槽深度特征

6.4 工件表面成形特征

6.5 划痕底部的SEM形貌特征

6.6 本章小结

第7章 结论与展望

7.1 论文总结

7.2 展望

参考文献

致谢

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果