微-纳米复合陶瓷二维超声振动磨削机理试验研究

摘要

本文在对硬脆材料的塑性域加工机理及加工表面微观特性的研究方法与进展水平深入系统的分析基础之上，找出了目前该领域尚可深入研究的内容，选择目前陶瓷界研究热点之一的纳米ZrO2增韧Al2O3复相陶瓷为研究对象，将复相陶瓷的纳米增韧改性技术和超声二维振动磨削技术相结合，以陶瓷压痕断裂力学，微观断裂物理学为理论基础，研究了硬脆材料二维超声振动磨削的脆-塑转变机理；建立了硬脆材料高效去除率模型；从磨削力特性、磨削温度、材料去除率和磨削表面微观特征等方面，系统研究了二维超声振动磨削参数对微-纳米复合陶瓷加工特性的影响，揭示微-纳米复合陶瓷这一新兴材料的二维超声高效塑性加工机理，寻求高效精密加工新工艺，进一步推动微-纳米复合陶瓷的工程实际应用。本文取得以下新的研究成果： 第一，提出了二维超声振动磨削技术。从运动学的角度分析了振动系统在外部二维简谐激振力的作用下产生的运动轨迹振动响应的基本条件和轨迹特征；基于二维超声振动磨削单颗磨粒切削运动轨迹仿真模型，定义了单颗磨粒在工件表面的“椭螺线”相对运动轨迹；运用机械阻抗综合法，进行了二维超声振动系统组合共振研究，建立了两个坐标联结的二维超声振动组合系统模型，获得了二维超声振动系统固有频率方程。 第二，微-纳米复合陶瓷二维超声振动磨削的脆-塑转变机理研究。基于二维超声振动磨削单颗磨粒与工件的接触状态分析，建立了二维超声振动磨削单颗磨粒的运动模型；基于压痕断裂力学模型，建立了硬脆材料二维超声振动磨削脆-塑转变临界条件；基于冲量理论和振动加工理论，采用力的叠加原理建立二维超声振动磨削力的数学模型和材料高效去除率数学模型。研究了粗细磨粒二维超声振动磨削微-纳米复合陶瓷的脆-塑转变特征，本论文实验研究结果表明，同样磨削条件下，二维超声振动塑性磨削力比普通磨削塑性磨削力要小20-30％；二维超声振动磨削区温度比普通磨削区温度低40％-50％；同样磨削条件下，二维超声振动磨削比普通磨削表面粗糙度可减小30-40％，加工效率可提高1-2倍。经放电等离子烧结制备的晶内型结构的Al2O3-ZrO2(n)微-纳米复合陶瓷，其沿晶/穿晶混合断裂模式及其丰富的位错组态有利于提高材料的塑性。 第三，借助扫描电镜、透射电镜，X射线衍射分析、原子力显微镜等多技术相融合的检测手段研究了微-纳米复合陶瓷二维超声振动磨削表面微观特性，探讨了二维超声振动磨削微-纳米复合陶瓷的材料去除机理。结果表明，粗粒度砂轮磨削Al2O3-ZrO2(n)微-纳米复合陶瓷时，材料是以晶界、空隙和微裂纹空间的破坏等方式为主要的去除机理。细磨粒精密磨削时，磨粒切入晶粒内部，工件材料内部微观分布的缺陷和材料的不均匀性直接影响磨削表面微观特性。材料的去除是由金刚石磨粒作用于陶瓷工件瞬间产生的所有微观变形和破碎累计完成的。微-纳米复合陶瓷微观变形机理为“晶内型”结构增强相的晶粒内位错，基体晶粒的晶界滑移、晶间第二相的协调变形为其变形协调机制。微-纳米复合陶瓷磨削表面残余应力是磨削负载、相变应力和裂纹产生释放残余应力的综合作用的结果。 基于上述研究，提出了微-纳米复合陶瓷二维超声振动磨削表面变质层结构模型：在一定的磨削条件下，微-纳米复合陶瓷二维超声振动磨削表层是以晶粒碎化的材料粉末化、以及少量的材料压碎和晶粒脱落等方式为主的塑性变形层，表层和基体之间的过渡层是以晶格畸变为主的塑性变形层，精密磨削微-纳米复合陶瓷材料，占主导方式的是塑性变形的材料去除机理。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号说明

声明

第一章绪论

1.1课题来源及研究意义

1.2纳米复相陶瓷的发展及特点

1.3工程陶瓷精密超精密加工技术研究现状

1.3.1硬脆材料加工机理研究现状

1.3.2硬脆材料塑性域磨削研究现状

1.3.3硬脆材料磨削表面微观特性研究现状

1.4硬脆材料超声精密超精密加工技术研究现状

1.5纳米复相陶瓷加工研究现状

1.6硬脆材料超声振动磨削研究中存在的问题

1.7论文框架结构及主要研究内容

1.7.1本文的框架结构

参考文献

第二章二维超声振动磨削系统的运动学分析及系统组合共振研究

2.1二维超声振动系统

2.2二维超声振动平面磨削系统运动学特性研究

2.2.1两个简谐振动合成的平面运动轨迹

2.2.2二维超声振动磨削的单颗磨粒运动轨迹

2.2.3二维超声振动磨削过程的速度分析

2.2.4二维超声振动磨削的加速度

2.3二维超声振动系统组合共振研究

2.3.1二维超声振动系统

2.3.2变幅杆和工件托板的机械阻抗

2.3.3两个坐标联结的组合系统

2.3.4二维超声振动系统组合共振

2.4二维超声振动系统的幅频特性实验

本章小结

参考文献

第三章微-纳米复合陶瓷的制备及其微观组织和力学性能的研究

3.1 引言

3.2实验条件

3.2.1试验材料

3.2.2实验设备

3.2.3材料力学性能测试

3.2.4显微结构的分析方法

3.3 Al2O3-ZrO2(n)微-纳米复合陶瓷的制备

3.3.1Al2O3-ZrO2(n)微-纳复合陶瓷粉体的制备

3.3.2微-纳米复合陶瓷烧结

3.4微-纳米复合陶瓷的断裂模式

3.5微-纳米复合陶瓷材料的微观组织

3.6微-纳米复合陶瓷的X射线衍射物相分析

3.7 Al2O3-ZrO2(n) 微-纳米复合陶瓷的力学性能

3.8 Al2O3-ZrO2(n)微-纳米复合陶瓷的增韧机理

本章小结

参考文献

第四章微-纳米复合陶瓷二维超声振动磨削脆性-塑性转变机理的研究

4.1 引言

4.2微-纳米复合陶瓷的塑性去除机理

4.2.1压痕断裂力学模型

4.2.2微-纳米复合陶瓷的塑性去除机理

4.3硬脆材料二维超声振动磨削脆-塑转变临界条件的研究

4.3.1二维超声振动磨削的单颗磨粒与工件接触状态的分析

4.3.2硬脆材料的临界切削深度

4.3.3二维超声振动磨削的脆-塑转变的临界条件

4.4微-纳米复合陶瓷二维超声振动磨削的实验研究

4.4.1试验条件

4.4.2测试原理

4.4.3试验方法

4.4.4微-纳米复合陶瓷精密磨削的脆-塑转变试验参数计算

4.5微-纳米复合陶瓷精密磨削脆-塑转变特征试验结果与分析

4.5.1磨削参数对微-纳米复合陶瓷二维超声振动磨削的脆-塑转变特征的影响

4.5.2微-纳米复合陶瓷二维超声振动磨削的脆-塑转变的磨削力特征

4.5.3微-纳米复合陶瓷二维超声振动磨削的脆-塑转变的磨削温度特征

4.5.4微-纳米复合陶瓷二维超声振动磨削的脆-塑转变的表面粗糙度特征

4.6影响二维超声振动临界磨削深度的主要因素

本章小结

参考文献

第五章二维超声振动磨削陶瓷材料高效去除机理的研究

5.1 引言

5.2二维超声振动磨削力模型

5.2.1平面普通磨削力数学模型

5.2.2二维超声振动磨削力数学模型

5.2.3二维超声振动磨削单颗磨粒受力模型

5.3二维超声振动磨削的材料去除率理论模型

5.4二维超声振动磨削硬脆材料的高效去除率实验研究

5.4.1试验条件

5.4.2磨削深度对材料去除率的影响

5.4.3工作台往复运动速度对材料去除率的影响

本章小结

参考文献

第六章微-纳米复合陶瓷二维超声振动磨削表面微观特性的研究

6.1 引言

6.2二维超声振动磨削表面微观形貌和表面粗糙度

6.2.1磨削参数对微-纳米复合陶瓷磨削表面粗糙度的影响

6.2.2二维超声振动磨削表面微观形貌特征的研究

6.2.3材料力学性能对二维超声振动磨削表面微观形貌特征的影响

6.3二维超声振动磨削表面残余应力的试验研究

6.3.1残余应力测试试验

6.3.2试验结果与分析

6.3.3试验结论

6.4微-纳米复合陶瓷磨削表面的结构分析

6.4.1.微-纳米复合陶瓷磨削表面结构特性的研究

6.4.2磨削表面物相的定性分析

6.4.3磨削表面层晶粒度与晶格畸变的试验研究

6.4.4微-纳米复合陶瓷精密磨削表面变质层的结构模型

本章小结

参考文献

第七章总结与展望

7.1论文主要研究内容及结论

7.2本论文的创新点

7.3对今后工作的几点建议

致谢

攻读博士学位期间发表的论文

攻读博士学位期间参与完成的研究课题