金刚石工具磨削脆硬材料的加工表面形成机理

摘要

金刚石工具磨削脆硬材料是一个非常复杂的金刚石磨粒、胎体与被加工材料的相互作用过程，如何掌握脆硬材料加工的机理，使用合理的加工工艺和金刚石工具，解决在加工过程中常出现的磨削冲击、振动、磨削力变化剧烈、金刚石磨粒磨损、脱落或堵塞等问题，一直是脆硬材料磨削加工领域的研究热点之一。 本文采用脆硬材料压痕断裂-金刚石单颗磨粒平面磨削/圆周磨削-金刚石多颗磨粒平面磨削/圆周磨削-金刚石有序排布砂轮平面磨削/圆周磨削-常规金刚石圆锯片锯切磨削加工的研究思路，采用脆硬材料断裂力学、计算机仿真、数学建模和应用特殊设计制作的磨削工具的大量实验，系统深入地研究了典型脆硬材料磨削过程的动态及表面形成特征、加工工艺参数及磨粒加工方式等对磨削过程、磨削力和材料去除率的影响；采用系统建模方法、灰色系统理论建模及多元线性回归分析等方法，建立了复杂磨粒加工方式和工艺参数下的磨削力和材料去除率理论模型；提出优化容屑空间的结块防堵塞设计原则及磨损的理论判据；最后，将研究结果成功地运用于典型脆硬材料材料可锯性和堵塞判断、磨削力预测、锯片和结块设计等，设计了特殊结构金刚石圆锯片实现降低加工过程的振动和冲击。研究结果对于丰富脆硬材料加工理论，指导金刚石工具的设计与应用，具有较高的理论价值和实际应用意义。 本文的主要研究结论如下： 1.脆性材料的锐磨粒压痕断裂过程的内部裂纹经历了中位裂纹-扩展为“硬币状”裂纹-沿解理面断裂-侧向裂纹产生和扩展等过程，而钝磨粒的压痕断裂过程主要是形成近似锥形裂纹并扩展；材料裂纹扩展、内应力分析、切削力和声发射具有较好的对应性，但声发射的反应比切削力迟缓。 2.提出了脆性材料的静态和动态加工去除模型；模型指出，磨削裂纹与压痕断裂裂纹主要区别在于进给方向对表面和内部裂纹的扩展方向具有决定性的作用。裂纹扩展过程均是产生条形裂纹-扩展并贯通-形成外轮廓为圆弧状的裂纹-圆弧状裂纹断裂后形成切屑，但动态加工去除过程由于进给速度影响导致每一个圆弧状裂纹向前扩展形成扇形裂纹。 3.单颗磨粒、两颗磨粒、三颗磨粒和砂轮磨削材料表面时，磨粒磨削轨迹重叠、磨削轨迹接近、磨削轨迹交叉、磨粒形状、磨粒排布方式、磨粒磨损、磨粒粒度、磨粒出刃高度、参与磨削的磨粒数、磨粒方位、磨削加工工艺参数和加工材料本身晶粒粒度，均会影响裂纹的扩展区域大小以及沟槽宽度、沟槽形貌、磨削力和声发射rms值。 4.被加工材料的性质在很大程度上决定了加工破碎的特征；玻璃其表面在磨削力作用下未产生明显的塑性变形即崩碎；广西白和济南青的磨削过程以硬矿物的崩碎和软矿物的推挤为主；混凝土等复合材料则以软骨料在沟槽两侧及前方堆积并在沟槽底部压实以及硬骨料快速弹出，并在飞溅过程中带走部分堆积在沟槽两侧及磨粒前部的切屑为主。相同加工条件下广西白和济南青的磨削力分布范围较小，玻璃和混凝土的材料去除率和磨削力分布范围均较大。 5.金刚石粒度相同时，单颗磨粒圆周磨削产生的切屑远小于平面磨削产生的切屑，沟槽边缘和沟槽底部轮廓较平整。单颗磨粒圆周磨削四种材料时的磨削力随切削深度和切削速度的增加而呈现不同程度的增大和下降趋势。当进给速度增加时，除混凝土外其余三种材料的切削力都呈上升趋势。 6.金刚石圆锯片锯切磨削混凝土过程中，不同混凝土材料随切削深度的增加，振动、噪声和切削力上升。声发射信号的峰值滞后于主切削力F（）。混凝土的锯切磨削过程中，当切削区不全是石子时，水泥砂浆与粗骨料的石子结合部及砂子与水泥砂浆结合部为混凝土结构的弱结合面，易产生微裂纹并沿结合面扩展形成宏观裂纹。 7.通过线性回归分析、系统理论建模及灰色系统理论，建立了磨削力和材料去除率理论基础模型，并分析确定与材料特性、磨粒参数及磨粒相互作用有关的影响因子，并对模型进行了修正。在此基础上，分析了影响磨削力和材料去除率的因素；提出了通过一次或几次单颗或多颗磨粒在材料表面的圆周磨削来了解该材料的可锯性的方法；提出砂轮/锯片平面和圆周磨削优化原则；提出相关参数合理取值条件下，获得较为接近实际情况的磨削力的预测值，据此选择合适强度和结构的金刚石圆锯片的方法。采用锯切实验等验证了上述模型的正确性。 8.提出容屑空间理论模型和材料锯切堵塞判据，即在平面磨削和圆周磨削中，均在满足条件理论材料去除率Vb≥计算容屑空间Vs时，磨削过程将产生堵塞；提出结块防堵塞设计原则并采用实验进行了验证。 9.在防堵塞结块设计准则基础上，进一步提出新的减振降噪锯片结块和基体结构；自行设计制造9种减振降噪的特殊结构金刚石锯片，通过有限元结构和应力应变分析发现特殊结构金刚石圆锯片可改变固有频率、提高抗冲击能力，利于散热和提高结构刚度。特殊结构锯片在实验所采用的绝大多数切削用量下均能达到减小切削力和振幅最大值的效果，满足了减振降噪的要求，特别是一宽一窄非等弧长结块锯片以及一宽三窄48消音小孔组合锯片均能获得较理想的锯切效果，但具体结构参数要选择得当，否则可能产生负面效果。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号表

声明

第一章绪论

1.1课题研究背景及意义

1.2金刚石工具加工建筑用脆硬材料

1.3国内外相关研究现状

1.3.1金刚石磨粒加工脆硬材料机理研究

1.3.2金刚石磨粒加工机理的影响因素研究

1.3.3脆硬材料的磨削力及材料去除率建模研究

1.3.4特殊结构金刚石锯片

1.4待解决的关键问题

1.5课题来源

1.6课题主要研究内容

第二章研究方法及实验条件

2.1实验总体方案

2.2实验系统及设备

2.2.1实验系统

2.2.2实验设备

2.3实验用工件的制备

2.4实验设计及方案

2.4.1脆硬材料压痕断裂及磨削初始过程实验

2.4.2金刚石单、多颗磨粒平面磨削实验

2.4.3金刚石有序排布砂轮平面磨削实验

2.4.4单颗、多颗金刚石磨粒飞铣实验

2.4.5金刚石有序排布砂轮圆周磨削实验

2.4.6常规金刚石锯片锯切磨削实验

2.5测试分析方法

2.5.1动态数据采集分析方法

2.5.2表面形貌及轮廓观测方法

2.5.3理论建模分析方法

2.6本章小结

第三章脆硬材料平面磨削表面形成研究

3.1脆硬材料磨粒压痕断裂

3.1.1脆硬材料磨粒压痕断裂动态特征

3.1.2脆硬材料磨粒压痕断裂形貌及裂纹扩展特征

3.1.3脆硬材料磨粒压痕断裂的应力分析

3.1.4脆硬材料磨粒压痕断裂形貌测量及分析

3.2脆硬材料磨粒磨削初始过程研究

3.2.1脆硬材料磨粒磨削初始过程动态特征

3.2.2脆硬材料磨粒磨削初始过程形貌及裂纹扩展特征

3.2.3脆硬材料磨粒磨削初始过程的应力分析

3.2.4磨粒磨削初始过程轮廓测量及分析

3.3脆硬材料加工去除模型

3.3.1静态加工去除模型

3.3.2动态加工去除模型

3.4单颗磨粒的平面磨削

3.4.1单颗磨粒的平面磨削动态过程

3.4.2切削用量对单颗磨粒平面磨削的影响

3.4.3磨削轨迹对单颗磨粒平面磨削的影响

3.4.4不同材料对单颗磨粒平面磨削的影响

3.4.5磨粒方位对单颗磨粒平面磨削的影响

3.4.6单颗磨粒平面磨削轮廓测量及分析

3.5两颗磨粒的平面磨削

3.5.1两颗磨粒的平面磨削动态过程

3.5.2两颗磨粒的相互作用影响

3.6三颗磨粒的平面磨削

3.7有序排布金刚石砂轮的平面磨削

3.7.1砂轮平面磨削加工动态过程

3.7.2脆硬材料表面渐进形成过程

3.7.3磨粒旋转运动对有序排布金刚石砂轮平面磨削的影响

3.7.4磨削用量对有序排布金刚石砂轮平面磨削的影响

3.7.5磨粒磨损对有序排布金刚石砂轮平面磨削的影响

3.7.6磨粒排布方式对有序排布金刚石砂轮平面磨削的影响

3.7.7金刚石粒度对有序排布金刚石砂轮平面磨削的影响

3.8本章小结

第四章脆硬材料圆周磨削表面形成研究

4.1单颗磨粒的圆周磨削

4.1.1单颗磨粒的圆周磨削特征

4.1.2切削用量对单颗磨粒圆周磨削的影响

4.1.3不同轨迹对单颗磨粒圆周磨削的影响

4.1.4不同材料对单颗磨粒圆周磨削的影响

4.1.5单颗磨粒圆周磨削轮廓测量及分析

4.2两颗磨粒的圆周磨削

4.2.1两颗磨粒圆周磨削的表面形貌特征

4.2.2两颗磨粒圆周磨削的动态特征

4.3有序排布金刚石砂轮的圆周磨削

4.3.1有序排布金刚石砂轮圆周磨削动态过程

4.3.2有序排布金刚石砂轮圆周磨削的多磨粒相互作用

4.3.3磨削用量对有序排布金刚石砂轮圆周磨削的影响

4.3.4磨粒磨损对有序排布金刚石砂轮圆周磨削的影响

4.3.5金刚石粒度对有序排布金刚石砂轮圆周磨削的影响

4.4金刚石圆锯片锯切磨削混凝土

4.4.1金刚石圆锯片锯切磨削混凝土机理

4.4.2金刚石圆锯片锯切磨削混凝土的动态特征

4.5本章小结

第五章磨削理论模型及容屑空间研究

5.1磨削力理论模型及其修正

5.1.1磨削力基础理论模型

5.1.2平面磨削力理论模型影响因子

5.1.3平面磨削力理论模型的修正

5.1.4圆周磨削力理论模型的影响因子

5.1.5圆周磨削力理论模型的修正

5.2材料去除率理论模型及其修正

5.2.1材料去除率基础理论模型

5.2.2平面磨削材料去除率理论模型的影响因子

5.2.3平面磨削材料去除率理论模型的修正

5.3.4圆周磨削材料去除率理论模型的影响因子

5.3.5圆周磨削材料去除率理论模型的修正

5.3平面砂轮/锯片的优化原则

5.4平面磨削的容屑空间及堵塞

5.4.1两颗磨粒平面磨削的容屑空间

5.4.2三颗磨粒的平面磨削容屑空间

5.4.3有序排布金刚石砂轮平面磨削的容屑空间及堵塞

5.5圆周磨削的容屑空间及堵塞

5.5.1两颗磨粒圆周磨削的容屑空间

5.5.2有序排布金刚石砂轮圆周磨削的容屑空间及堵塞

5.6磨削力及材料去除率理论模型的验证

5.6.1混凝土的可锯性判断

5.6.2基于磨削力理论模型的锯片结块磨损判据

5.7基于堵塞判据及材料去除率理论模型的结块设计及应用

5.8本章小结

第六章特殊金刚石圆锯片锯切磨削混凝土研究

6.1提高锯片动态性能的一般原则

6.2特殊结构金刚石圆锯片设计

6.2.1特殊结构金刚石锯片

6.2.2特殊结构金刚石锯片的结构分析

6.3特殊结构金刚石圆锯片验证实验

6.3.1非等弧长结块金刚石圆锯片

6.3.2多孔基体金刚石圆锯片

6.3.3非等弧长结块与多孔基体复合结构金刚石圆锯片

6.4本章小结

结论及展望

参考文献

攻读学位期间发表的论文、参加项目及专利申请

致 谢

附录