基于不同冷却方式的α-氧化铝陶瓷线锯切割机理与工艺研究

摘要

陶瓷材料是一种经过高温烧结而形成的无机非金属传统材料，在机械、电子、生物方面应用较为久远，而在材料科学高速发展的现代，对于陶瓷的概念已远远超出传统范畴。与其他材料相比，通过对工艺结构精密控制、添加新化学元素的新型陶瓷，具有阻电性好、高温蠕变小、耐磨损、抗腐蚀、高强度、硬度高、多种敏感性等超越传统陶瓷的特点，并且在航空航天、能源、生物、冶金、电子、光学等行业广泛应用。
　　新型陶瓷材料按其功能应用大致可分为三大类：结构陶瓷、功能陶瓷、生物陶瓷。其中氧化铝陶瓷在结构、功能、生物方面均有应用。α-氧化铝陶瓷作为新型陶瓷典型代表，不但用于制作集成电路基片，人体仿生骨骼，工具刀基体材料，而且还用于航空运载火箭耐高温防护，研磨粉体。
　　但由于α-氧化铝陶瓷硬度高、脆性大，是一种典型的硬脆性材料，受限于传统的机械加工方法。为降低切片表面粗糙度，减少表面刮痕，损伤，变质层，本文对α-氧化铝陶瓷采用往复式金刚石线锯切割技术，其优势在于：加工范围大、效率高、加工质量好、切缝窄、平面度高、材料损耗低、污染小。并通过往复式金刚石线锯切割α-氧化铝陶瓷实验工作和仿真分析做下述研究：
　　1.简述金刚石线锯切割技术的发展情况以及对于α-氧化铝陶瓷等硬脆性材料的加工现状。基于热力学理论，断裂力学理论，阐述了单颗金刚石磨粒切割α-氧化铝陶瓷过程中裂纹的产生和材料去除原理，近似于磨削去除材料机理，用物理模型描述单颗粒金刚石磨粒切割α-氧化铝陶瓷机理，利用有限元软件将切割过程的物理模型转换为数学模型进行仿真分析。
　　2.对单颗粒金刚石切割α-氧化铝陶瓷过程中切削热，表面粗糙度，应力应变进行研究，通过利用ANSYS/LS-DYNA对切削过程进行3D模拟,热力耦合，分析在不同走丝速度条件下，工件表面裂纹和形貌情况；将切削温度场拟合进切削过程，研究切割过程中切削热，热应力对刀具应力的影响，切削热分布，磨粒承受应力和工件表面形貌的影响以及切削过程中应变问题。
　　3.自主设计研发多种冷却往复式金刚石线锯切割设备，采用P2级精度双轴承丝杠实现YZ方向自动精密进给，导轮张紧力可调，精确控制工件切片厚度，使切片厚度最小达到0.5mm。能够实现多种冷却，并利用FX2N-16MT三菱PLC实现自动、定时冷却，走丝自动正反转，进给速度、走丝速度数字化控制。
　　4.通过设计控制金刚石线锯切割机冷却装置，实现风冷（20℃）、常温（25℃）水基型KR-C切削液雾化冷却、0℃水基型KR-C切削液冷却等三种冷却。以冷却条件为因素，三种不同冷却方式为水平，并在不同走丝速度和进给速度的条件下，进行正交试验，研究在何种冷却条件下金刚石线锯切割加工工件表面粗糙度Ra最小，并在此冷却条件下，优化线切割工艺参数，减少对于切割工具表面层的损伤、厚度不均、弯曲以及翘曲缺陷等问题。

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第1章 绪论

1.1 课题研究的目的和意义

1.2 α-氧化铝陶瓷切片的应用

1.3 金刚石线锯切割技术研究现状

1.4 本课题研究的主要内容

1.5 本章小结

第2章 金刚石线锯切割α-氧化铝陶瓷的机理

2.1 硬脆材料锯切去除机理及压痕断裂力学模型

2.2 金刚石线锯切割α-氧化铝陶瓷模型

2.3 单颗粒金刚石切割α-氧化铝陶瓷机理分析

2.4 切削热的成因及影响因素

2.5 本章小结

第3章 单颗粒金刚石切割α-氧化铝陶瓷的模拟仿真

3.1 基于压痕断裂力学的有限元分析模型对损伤表面预测

3.2 ANSYS/LS-DYNA简介

3.3 有限元法在硬脆性材料崩碎断裂模拟中的应用

3.4 基于ANSYS/LS-DYAN单颗粒金刚石切割氧化铝陶瓷表面温度场研究

3.5 仿真结果验证

3.6 本章小结

第4章 多种冷却金刚石线锯切割机的设计与制备

4.1 金刚石线锯切割机的工作原理和设计要求

4.2 往复式金刚石线锯切割设备的研制

4.3 本章小结

第5章 金刚石线锯切割α-氧化铝陶瓷的实验研究

5.1 切片表面质量实验研究

5.2 不同工艺参数对表面质量的影响分析

5.3 本章小结

结论与展望

1 结论

2 工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的学术论文

致谢