ZTA纳米复相陶瓷超声ELID复合磨削机理研究

摘要

硬脆材料镜面高效加工技术是超精密加工技术的一个重要分支，对发展航空航天、国防军工、信息、微电子和光电子等尖端科学技术具有重要意义。课题组提出将超声振动辅助磨削的精密高效与ELID磨削的超精密技术相复合，形成一种高效镜面加工的超声ELID复合磨削技术。本文在国家自然科学基金的资助下，以陶瓷界研究热点之一的ZTA纳米复相陶瓷作为研究对象，基于压痕断裂力学和电解原理，对超声ELID复合磨削高效去除机理以及表面加工质量进行相关理论和试验研究。研究内容主要包括以下几个方面：
　　（1）通过对实验室现有设备的改造，研制了一套超声ELID复合内圆磨削装置。对复合后的声学系统特性进行试验研究，结果表明，载荷的变化会对声学系统参数谐振频率、品质因数、动态电阻以及动态电感产生一定的影响，但由于本试验磨削力较小，不影响本试验正常进行。对所研制的复合装置进行了金属基结合剂金刚石砂轮的整形试验和修锐试验，结果表明：砂轮跳动度可达到2μm，修锐过程中氧化膜生长良好，满足超精密试验要求。
　　（2）在对超声ELID复合磨削陶瓷材料去除机理分析的基础之上，建立超声ELID复合磨削材料去除率数学模型，并进行了试验验证。研究表明超声ELID复合磨削时的材料去除率显著高于ELID磨削。
　　（3）基于压痕断裂力学理论和电解原理，在对超声振动单颗磨粒运动轨迹分析的基础之上，建立了超声ELID复合磨削磨削力数学模型，从理论上解释了各磨削参数、ELID电参数、声学参数对磨削力的影响规律以及超声ELID复合磨削磨削力低于ELID磨削磨削力的原因，并进行了试验验证。
　　（4）以表面粗糙度为评价指标对超声ELID复合磨削表面质量进行研究，获得了不同加工参数对表面质量的影响规律，研究结果表明，超声ELID复合磨削的表面质量明显优于ELID磨削。
　　本文研究结果有利于揭示超声ELID复合磨削高效镜面加工机理，进一步完善了硬脆材料的高效镜面加工理论，对发展国防等高新尖端技术具有重要的理论意义。

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1绪论

1.1课题来源与意义

1.2纳米复相陶瓷的特点及加工方法

1.3 ELID磨削技术研究现状

1.4超声振动辅助磨削技术研究现状

1.5本文研究内容

1.6本文研究框架及方案

2超声ELID复合内圆磨削装置的研制及其试验研究

2.1引言

2.2超声ELID复合磨削声学系统设计及其振动特性

2.3超声ELID复合磨削整形及修锐装置设计及试验

2.4超声ELID复合磨削装置整体结构

2.5本章小结

3超声ELID复合磨削高效去除机理研究

3.1引言

3.2 ZTA纳米复相陶瓷超声ELID复合磨削材料去除机理分析

3.3超声ELID复合磨削材料去除率理论模型

3.4超声ELID复合磨削高效去除率试验研究

3.5模型仿真与试验结果误差分析

3.6本章小结

4超声ELID复合磨削力研究

4.1引言

4.2超声ELID复合磨削力理论模型

4.3超声ELID复合磨削力试验研究

4.4仿真结果与实验结果误差分析

4.5本章小结

5 ZTA纳米复相陶瓷超声ELID复合磨削表面质量试验研究

5.1引言

5.2 ZTA纳米复相陶瓷超声ELID复合磨削表面粗糙度试验研究

5.3本章小结

6结论与展望

6.1主要结论

6.2展望

参考文献

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