面向先进陶瓷材料精密磨削的磨料水射流金刚石砂轮修整技术研究

摘要

RB-SiC陶瓷和氧化铝陶瓷，因其高导热性、硬度高、化学稳定性好等优点，被广泛应用于航空航天光学反射镜、薄膜电路和电池隔膜等领域。RB-SiC陶瓷和氧化铝陶瓷材料硬度高、脆性大，属于典型的难加工材料，因此其精密成形加工主要采用精密磨削加工工艺。精密磨削工艺的选择与优化、金刚石砂轮的精密修整是影响RB-SiC陶瓷的面形精度和表面质量的主要因素。本文根据反应烧结碳化硅反射镜和氧化铝陶瓷电池隔板的精密加工要求，设计了金刚石砂轮的精密磨料水射流在线修整系统，应用该系统完成了金属基金刚石砂轮的精密在位和在线修整，并优化了砂轮修整和两种先进陶瓷材料精密磨削的工艺参数。
　　本文首先根据金刚石砂轮的磨料水射流修整法的需要，研制了用于三轴联动精密成形磨床和五轴联动铣磨加工中心的磨料水射流砂轮在线修整系统。该系统由射流增压稳压系统、XY两轴运动机构和控制系统组成。控制系统包括手动控制和自动控制两种操作模式，最小进给分辨率为2μm。该套系统与机床配合良好，修整精度高。
　　研究了高压磨料水射流在位修整金刚石砂轮时射流压力和磨料粒度对砂轮表面形貌的影响规律，实现了粗细两种粒度的金属结合剂金刚石砂轮的高效在位修整。分别使用30MPa、40MPa和50MPa的射流压力对120＃金属基金刚石砂轮进行修整，并应用三维表面粗糙度参数定量评价砂轮表面的磨粒突出高度和分布状态。在射流压力为40MPa时，获得的平均磨粒突出高度超过砂轮磨粒粒径1/3，砂轮表面的有效磨粒数最多。分别使用粒度为300＃、700＃、1500＃的SiC磨料对1500＃金刚石砂轮进行磨料水射流修整，修整后的砂轮表面形貌说明以700＃SiC为磨料的磨料水射流修整可获得最佳修整效果。
　　应用高压磨料水射流修整后的120＃和1500＃金属结合剂金刚石砂轮开展了RB-SiC和氧化铝陶瓷的正交磨削实验研究，分析了磨削工艺参数对磨削力和表面粗糙度的影响规律。分别以最小磨削力和最小表面粗糙度为目标，获得了粗细粒度两种金刚石砂轮磨削两种陶瓷材料的最优磨削工艺参数。分析对比了两种材料的磨削机理，反应烧结碳化硅磨削表面主要呈现塑性去除和脆性去除的复合去除机理，氧化铝陶瓷表面主要为脆性去除。
　　研究了磨料水射流在线修整工艺，重点研究磨削RB-SiC时磨料水射流工艺参数对磨削力、工件表面形貌和砂轮表面形貌的影响规律，验证磨料水射流在线修整的有效性。观察利用在线修整法获得的RB-SiC磨削表面，发现在原有的磨削去除基础上，RB-SiC表面的塑性去除痕迹被冲蚀，破碎凹坑直径变小。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 反应烧结碳化硅和氧化铝陶瓷的性质和应用

1．1．1 反应烧结碳化硅的性质与应用

1．1．2 氧化铝陶瓷的性质与应用

1．2 反应烧结碳化硅和氧化铝陶瓷精密磨削的研究现状

1．2．1 反应烧结碳化硅和氧化铝陶瓷精密磨削机理研究

1．2．2 反应烧结碳化硅和氧化铝陶瓷的磨削工艺及其优化研究

1．3 金刚石砂轮修整技术

1．3．1 金刚石笔修整技术

1．3．2 特种修整技术

1．3．3 磨料水射流修整技术

1．4 研究的目的和意义

1．5 本文研究的主要内容

第2章 金刚石砂轮的磨料水射流在线修整系统

2．1 射流增压稳压系统

2．2 喷嘴运动机构设计

2．2．1 面向三轴联动精密成形磨床的喷嘴运动机构

2．2．2 面向五轴联动铣磨加工中心的喷嘴运动机构

2．3 控制系统的设计

2．3．1 手动控制模式

2．3．2 自动控制模式

2．4 本章小结

第3章 金刚石砂轮的磨料水射流在位修整工艺

3．1 砂轮选型及磨料水射流加工参数选择

3．1．1 砂轮的选型

3．1．2 磨料水射流加工工艺参数的选择

3．1．3 金刚石砂轮形状精度与表面形貌测量与评价方法

3．2 120#金刚石砂轮修整实验

3．2．1 实验设备与方案

3．2．2 实验结果与分析

3．3 1500#金刚石砂轮修整实验

3．3．1 实验方案

3．3．2 实验结果与分析

3．4 本章小结

第4章 反应烧结碳化硅和氧化铝陶瓷的磨削参数优化

4．1 磨削实验方案

4．1．1 实验器材

4．1．2 实验方案

4．2 磨削工艺参数对磨削力和表面粗糙度的影响

4．3 磨削实验结果及分析

4．3．1 120#金刚石砂轮磨削反应烧结碳化硅实验结果分析

4．3．2 120#金刚石砂轮磨削氧化铝陶瓷实验结果分析

4．3．3 1500#金刚石砂轮磨削碳化硅实验结果分析

4．3．4 1500#金刚石砂轮磨削氧化铝陶瓷实验

4．3．5 磨削表面典型形貌分析

4．4 本章小结

第5章 金刚石砂轮的磨料水射流在线修整工艺

5．1 实验方案

5．2 修整结果与分析

5．2．2 在线修整对砂轮形貌的影响

5．2．3 在线修整对工件表面形貌的影响

5．3 本章小结

总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢