二维超声振动磨削新型陶瓷的磨削机理研究

摘要

随着硬脆材料的应用涉及到科学技术的各个领域和日常生活中，新型陶瓷材料作为一种新的机械工程材料，越来越受到人们的重视。它具有高强度、高硬度、低密度、低膨胀系数以及耐磨、耐腐蚀、隔热、化学稳定性好等优良特性，已广泛应用于航天航空、石油化工、仪器仪表、机械制造及核工业等领域。针对陶瓷材料的难加工特性，本文采用超声振动与普通磨削加工相结合的方法，对二维超声振动磨削新型陶瓷的材料去除机理进行了研究。文中应用压痕断裂力学理论从理论上分析了陶瓷材料的磨削表面创成机理，并给出陶瓷材料的临界磨削厚度，建立了二维超声振动磨削的材料去除率模型，指出二维超声振动磨削大大提高了材料的去除率，并且二维超声振动磨削的材料去除率随静载荷、磨粒直径、工作台速度、超声振动频率与振幅的增大而增大，随着材料断裂韧性和硬度的升高而降低，并通过实验验证；分析了二维超声振动磨削过程中单颗磨粒的微观运动轨迹，发现其轨迹不同于普通磨削过程中单颗磨粒的直线形轨迹，而是一组组椭螺线，此特殊轨迹大大提高了加工表面质量；建立了单颗磨粒与工件的接触模型，并通过这一模型说明二维超声振动磨削方式类似于回转切削法，该切削方式增加了磨粒的锋锐性，延长了砂轮的使用寿命，大大减少了加工过程中的平均磨削力，提高了加工表面质量；为了充分发挥超声振动的优点，给出了二维超声振动磨削时的速度临界条件；通过二维超声振动磨削复相陶瓷磨削力的实验研究，发现在相同磨削条件下二维超声振动磨削时的磨削力小于普通磨削力，且二维超声振动磨削临界磨削深度要远大于普通磨削临界深度；通过二维超声振动磨削条件下陶瓷表面质量的实验研究，指出在相同磨削条件下二维超声振动磨削时的表面质量与超声振动振幅、频率、磨削深度等有关，着重指出超声振动磨削的表面要优于普通磨削的表面质量，并给出不同磨削条件下SEM的典型照片。总之，二维超声振动磨削对陶瓷材料的加工效果显著，是一种切实可行的加工方法。

目录

文摘

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1绪论

1.1课题来源

1.2课题研究的目的和意义

1.3陶瓷的基本概念与研究现状

1.3.1陶瓷材料性能特点

1.3.2陶瓷材料的发展

1.3.3陶瓷材料的市场发展预测

1.4国外陶瓷材料加工技术的发展

1.4.1切削工艺的研究

1.4.2磨削工艺的研究

1.4.3陶瓷材料的研磨与抛光工艺的研究

1.6超声加工在陶瓷加工中应用的进展

1.7本文的框架结构及主要研究内容与研究方案

1.7.1本文的框架结构

1.7.2本文的主要研究内容

1.7.3本文的研究方案

2二维超声振动磨削装置及系统振动特性的试验研究

2.1概述

2.2超声波加工的基本原理和特点

2.2.1超声波及其特性

2.2.2超声波加工的特点

2.2.3超声磨削加工的特点

2.3超声加工声学系统设计

2.3.1超声波发生器的选用

2.3.2超声波换能器的选用

2.3.3变幅杆的设计

2.3.4其他装置的设计

2.4二维超声磨削系统中砂轮的选用

2.4.1结合剂的选择

2.4.2浓度的选择

2.4.3金刚石工具的修整

2.5二维超声振动声学系统的振动特性实验

2.6本章小结

3二维超声振动磨削陶瓷的材料去除机理研究

3.1引言

3.2陶瓷材料的普通磨削机理研究

3.2.1磨粒的切削过程

3.2.2磨粒的临界切削厚度

3.3二维超声振动磨削陶瓷材料的去除率研究

3.3.1二维超声振动单颗磨粒的切削过程

3.3.2二维超声振动磨削的材料去除率建模

3.3.3去除率模型关系的验证

3.3.4去除率实验研究

3.4二维超声振动磨削表面创成机理

3.4.1二维超声振动磨削中单颗磨粒切削运动分析

3.4.2二维超声振动磨削运动轨迹影响因素分析

3.5二维超声振动磨削中单颗磨粒与工件的接触模型

3.6工件施振条件下二维超声振动磨削时的临界速度条件

3.7本章小结

4二维超声振动磨削复相陶瓷磨削力的实验研究

4.1引言

4.2二维超声振动磨削陶瓷材料的磨削力的理论分析

4.2.1二维超声振动磨削过程中磨削力分析

4.2.2二维超声振动磨削过程中单颗磨粒磨削力研究

4.3二维超声振动磨削的磨削力实验研究

4.3.1工件材料

4.3.2实验装置

4.3.3实验条件

4.3.4实验方法

4.3.5磨削深度对复相陶瓷磨削力的影响

4.3.6砂轮速度对磨削力的影响

4.3.7工作台往复运动速度(即工件进给速度)对磨削力的影响

4.4本章小结

5二维超声振动磨削陶瓷材料表面质量的实验研究

5.1引言

5.2二维超声振动磨削对复相陶瓷加工表面的表面粗糙度的影响

5.2.1实验设备及实验条件

5.2.2磨削深度对表面粗糙度的影响

5.2.3工件速度对加工表面粗糙度的影响

5.2.4砂轮粒度对表面粗糙度的影响

5.2.5无火花光磨次数对表面粗糙度的影响

5.3二维超声振动磨削表面形貌的观察与分析

5.3.1实验仪器与条件

5.3.2超声振动对表面形貌的影响

5.3.3磨削深度对表面形貌的影响

5.3.4脆塑性材料去除方式对表面形貌的影响

5.4材料性能对表面质量的响

5.5本章小结

6总结与展望

6.1工作总结

6.2展望

参考文献

附录

致谢