烧结Nd-Fe-B永磁材料加工新技术及机理研究

摘要

本文在深入研究其力学性能和断裂行为的基础上，提出了超声振动－脉冲放电－磨削三元复合加工方法，并进行了一系列的试验研究，探寻超声振动和脉冲放电对磨削的影响规律以及各加工参数对加工效率和加工表面质量的影响规律。 试验研究了烧结Nd-Fe-B永磁材料的抗弯强度和断裂韧性。抗弯试验和动态拉伸试验表明磁体在断裂之前几乎完全处于弹性形变状态，不存在塑性耗散，其断口均为脆性沿晶断口，类似于脆性陶瓷材料的断裂行为；用压痕断裂力学对烧结Nd-Fe-B在Palmqvist压痕载荷模式下的固有缺陷临界尺寸进行了计算，并用损伤理论解释了为什么计算结果要比合金的晶粒尺寸高出一个数量级，该理论认为，当缺陷密集分布区的当量裂纹尺寸达到临界值时，烧结Nd-Fe-B磁体以总体损伤模式形成瞬间断裂。 对烧结Nd-Fe-B永磁材料的电火花成型加工进行了试验研究，根据压痕断裂力学理论建立了脆性材料电火花加工中的微破碎材料去除模型。研究表明，烧结Nd-Fe-B材料的蚀除是熔化气化抛出和热应力微破碎共同作用的结果，采用大峰值电流、长脉冲宽度加工时，热应力微破碎为主要的材料去除方式，加工效率高，但表面粗糙度大；采用小脉冲能量加工时，材料主要以熔化、气化抛出方式去除，加工表面质量高。电火花加工对烧结Nd-Fe-B永磁材料具有表面改性作用，熔融材料快速冷却时形成的非晶态合金，具有硬度高、耐腐蚀、软磁性能好等特点。 单磨粒磨削试验结果表明，烧结Nd-Fe-B永磁材料以磨粒冲击作用导致的脆性微破碎方式去除，冲击裂纹的进一步扩展致使磨痕边界出现脆崩区，而不是出现在磨削塑性材料时产生的隆起；研制出工件超声振动的装夹系统，并研究了径向振动和切向振动两种超声施加方式对加工效果的影响，试验表明，径向超声振动使法向磨削力的降低最明显，材料去除率最高；切向超声振动中法向磨削力有所降低，但切向磨削力急剧升高，导致烧结Nd-Fe-B永磁材料的磨削力比达到了磨削塑性金属材料的效果；径向超声振动磨削具有较高的材料去除率和较差的加工表面质量，适合于工件的粗加工，切向超声振动磨削使烧结Nd-Fe-B永磁材料可磨削性提高，可以获得较高的表面质量，适合于工件的精加工。 提出了脉冲切削理论和工件软化效应理论，指出超声振动引起的脉冲切削机制、工件软化效应以及超声润滑效应是磨削力降低的主要原因；建立了两种超声振动磨削中磨粒的运动学模型，该模型解释了径向振动磨削和切向振动磨削不同的加工机理。 研制了超声振动－脉冲放电－磨削三元复合加工设备，并进行了加工试验研究。CBN是放电磨削复合加工烧结Nd-Fe-B永磁材料的首选磨料；脉冲放电的施加导致加工材料去除率降低，其原因是脉冲放电遏制了磨削微裂纹的产生和扩展；另一方面，脉冲放电提高了加工表面的质量，磨削裂纹尖端的放电起到了消除应力集中的作用；脉冲放电在线修整砂轮具有良好的可控制性和修整精度，通过调整脉冲电流和脉冲电压可以控制修整的速度和精度；不用其它附加设备即可随时修锐砂轮，并且不会影响工件的加工精度。 建立了烧结Nd-Fe-B永磁材料的分阶段复合加工工艺，在恒压力磨削加工中，按照从粗到精的加工顺序，先用超声振动磨削加工去除材料，最后用放电磨削加工进行磨削损伤修复和表面改性，可以兼顾加工效率和加工表面质量。

目录

文摘

英文文摘

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1. 绪论

1.1 烧结Nd-Fe-B 永磁材料

1.1.1 Nd-Fe-B系永磁材料的分类与制造工艺

1.1.2 烧结Nd-Fe-B永磁材料的制造工艺

1.1.3 烧结Nd-Fe-B永磁材料的机械物理性能

1.1.4 烧结Nd-Fe-B永磁材料的应用与发展前景

1.2 烧结Nd-Fe-B永磁材料的加工现状

1.2.1 电火花线切割加工

1.2.2 超声加工

1.2.3 金刚石套料钻加工

1.2.4 车削加工

1.2.5 激光打孔工艺

1.2.6 磨削加工

1.3 硬脆材料损伤理论及加工现状

1.3.1 硬脆材料损伤理论研究

1.3.2 硬脆材料的加工方法

1.4 课题研究的目的和意义

1.5 课题来源及主要研究内容

2. 烧结Nd-Fe-B永磁材料的力学行为和断裂机制

2.1 抗弯强度测量

2.2 断口形貌分析

2.3 断裂韧性测量

2.4 动态拉伸试验

2.5 烧结Nd-Fe-B永磁材料的压痕断裂力学研究

2.5.1 压痕类别

2.5.2 Palmqvist压痕裂纹成形模型

2.5.3 烧结Nd-Fe-B永磁材料的断裂模式

2.6 烧结Nd-Fe-B永磁材料损伤模式下的断裂表征

2.6.1 断裂韧性KIC的可靠性分析

2.6.2 概率损伤容限

2.7 小结

3. 烧结Nd-Fe-B永磁材料的电火花加工研究

3.1 单脉冲放电的微观物理过程

3.1.1 单脉冲放电模型

3.1.2 电极材料抛出理论

3.1.3 材料去除定量分析

3.2 电火花成型加工试验

3.2.1 试验条件

3.2.2 材料去除率及影响因素分析

3.2.3 放电参数对表面粗糙度的影响

3.2.4 放电参数对电极损耗的影响

3.3 材料去除机理分析

3.3.1 加工表面的微观形貌分析

3.3.2 加工亚表面的分析

3.3.3 表面改性

3.3.4 脆性材料的电火花加工材料去除模型

3.4 小结

4. 超声振动-磨削复合加工研究

4.1 超声振动-磨削复合加工的原理

4.1.1 超声振动-磨削复合加工的分类

4.1.2 超声振动对磨削过程的影响

4.2 超声振动-磨削复合加工装置设计

4.2.1 试验装备整体设计

4.2.2 超声振动系统设计

4.3 试验方案设计及加工效果分析

4.3.1 单磨粒切削试验

4.3.2 加工试验方案设计

4.3.3 超声振动对磨削力的影响

4.3.5 超声振动对材料去除率的影响

4.3.6 超声振动对加工表面粗糙度的影响

4.4 超声振动磨削加工机理分析

4.4.1 定点压头作用下的径向裂纹

4.4.2 移动压头作用下的径向裂纹

4.4.3 超声振动磨削中的磨粒运动模型

4.4.4 超声振动磨削加工中磨削力降低的原因分析

4.5 小结

5. 超声振动-脉冲放电-磨削复合加工研究

5.1 复合加工设备研制

5.1.1 砂轮的选择

5.1.2 磨削液的选用

5.1.3 恒压力磨削装置

5.1.4 脉冲电源

5.1.5 设备总体布局

5.2 试验结果及分析

5.2.1 材料去除率

5.2.2 加工表面微观形貌

5.2.3 砂轮表面微观形貌

5.3 脉冲放电砂轮修锐机理

5.3.1 放电修锐砂轮的可能性

5.3.2 放电修锐砂轮模型

5.3.3 放电参数对修锐结果的影响

5.4 小结

6. 结论

参考文献

附录：攻读博士期间发表的论文

致谢