工程陶瓷高效深磨磨削力和损伤的研究

采用树脂结合剂金刚石砂轮,对氧化铝和氧化锆等2种工程陶瓷进行高效深磨磨削加工.测量了磨削力,并对磨削表面形貌和亚表面损伤进行了观测.揭示了这2种工程陶瓷的高效深磨材料去除机理,氧化铝陶瓷主要为脆性去除,而氧化锆则是局部的横向裂纹和塑性去除.提出了磨粒的平均磨削力公式,讨论了磨粒的平均法向磨削力对陶瓷材料去除机理和磨削损伤的影响.     

磨粒变切深划擦陶瓷声发射及其时间序列建模

实验研究了不同切深下单颗金刚石磨粒分别划擦氧化铝和氧化锆陶瓷时的声发射信号的频谱和特征值,并对金刚石磨粒划擦氧化铝和氧化锆陶瓷时的声发射信号建立合适阶次的时间序列自回归滑动平均模型.研究结果表明,随着切深的增大氧化铝的划擦声发射信号在0～110 k Hz主频段的能量增大,并且声发射信号最大幅值在较高频率;随着切深的增加氧化锆划擦声发射信号在0～100 kHz主频段的能量减少,并且声发射信号最大幅值在较低频率;同时划擦声发射信号特征值会随着切深的增大而增加.合适的自回归滑动平均模型与单颗金刚石磨粒分别划擦氧化铝和氧化锆陶瓷时的声发射信号有较高的相似度,其特征参数与单颗磨粒切深之间也具有良好的线性关系,说明合适的自回归滑动平均模型能较好地表征单颗金刚石磨粒划擦氧化铝和氧化锆的声发射信号特征,并可实时分析单颗金刚石磨粒划擦陶瓷的深度.     

牙科氧化锆陶瓷微尺度磨削力研究

基于带有圆弧刃角的圆锥状磨粒形状和突出高度服从瑞利分布的假设，建立单颗磨粒未变形切削厚度数学模型.根据微磨削力的三种不同来源，以单颗磨粒为研究对象，建立磨削过程中单颗磨粒的切削变形力、耕犁力和摩擦力理论模型.结合单位面积内的磨粒数目，建立微磨削力的理论模型.切向磨削力和法向磨削力预测模型的验证结果表明:切向磨削力理论值与实验值平均误差为7.32%，最大误差小于10%；法向磨削力的平均误差为8.18%，最大误差小于20%.     

钎焊金刚石砂轮磨削AA4032铝合金试验

通过磨削试验,研究钎焊金刚石砂轮磨削4032铝合金(AA4032)在不同磨削参数时的磨削特性.结果表明:磨削力和磨削表面粗糙度都随着磨削深度和工件进给速度的增加而增大,随着砂轮线速度的增加而减小;法向磨削力与切向磨削力有良好的线性关系,其力比为2.6;AA4032主要以塑性方式去除,其被加工表面由光滑区、划痕、磨屑粘附、白色析出颗粒及孔组成,表面质量随磨削速度增大而明显提高;磨削比能随单颗磨粒切削厚度(h_c,max)增大而减小,在相同h_c,max下,高速磨削有利于降低磨削能耗.     

氧化锆陶瓷磨削机理有限元仿真与实验

目的研究氧化锆陶瓷材料在高速磨削条件下的去除机理,优化磨削参数,提高磨削效率.方法将单颗金刚石磨粒简化成圆锥形和三棱柱形两种形状,进行氧化锆陶瓷的磨削仿真,分析了磨削深度和磨削速度两个因素对磨削力和磨削表面形貌的影响.通过对氧化锆陶瓷进行内圆磨削加工实验,并获取相应的磨削力数据与表面形貌图像,对比仿真结果,证明了理论分析的正确性.结果随着磨削深度从1μm到9μm,磨削速度从23.0 m/s到74.9 m/s的增大,单颗磨粒磨削力呈单调递增的趋势,工件表面质量逐渐恶化.结论提高砂轮转速,降低磨削深度,有助于减小磨削力,提高磨削表面质量;在磨削深度、磨削速度两个因素当中,磨削速度对单颗磨粒磨削力及磨削表面质量的影响更大.     

基于不同单颗磨粒模型的微细磨削力研究

微细磨削技术能够实现硬脆材料复杂结构微小零件的高精高效低成本加工.通过深入分析微细磨削机理,考虑刃角圆弧半径的影响,建立了圆锥、球形、三棱锥、四棱锥等4种单颗磨粒切削力模型;采用VHX-1000超景深光学显微镜对Φ0.5mm、#600微磨棒表面磨粒形状进行观测分析并统计,建立了基于单一磨粒模型和基于综合磨粒模型的微细磨削力模型;在ZCuZn38上进行微细磨削试验,对比研究了微细磨削力理论计算结果与试验结果,并基于理论模型讨论了微细磨削力随工艺参数的变化规律.结果表明,单一磨粒模型微细磨削力与综合磨粒模型微细磨削力均能预测不同工艺条件下的微细磨削力,但综合模型微细磨削力的误差最小;不同磨粒模型计算得出的法向磨削力较为一致,但切向磨削力差异较大.     

三维超声振动辅助铣磨氧化锆陶瓷的试验研究

分析了三维超声振动辅助铣磨（Ultrasonic Vibration Assisted Grinding, UAG）中单颗磨粒的运动学,采用自主搭建的三维超声振动辅助铣磨加工系统,对氧化锆陶瓷进行超声振动辅助铣磨加工试验.在不同超声辅助条件下,对比铣磨氧化锆陶瓷的法向铣磨力、表面粗糙度和工件表面形貌,研究不同加工参数对三维UAG加工过程的影响规律以及三维超声对铣磨过程的影响.研究结果表明,铣磨氧化锆陶瓷时,法向铣磨力随超声辅助加工维度的增加而减小,三维UAG加工可有效降低其铣磨负荷,且加工参数对法向铣磨力降低幅度的影响最小;法向铣磨力降低幅度随进给速度与切削深度的增大而减小,随主轴转速的增大而增大.氧化锆陶瓷工件的表面粗糙度随超声辅助加工维度的增加而降低,表面形貌逐渐呈现更多的塑性划痕,加工参数对三维UAG加工表面粗糙度的影响最小.由此可见,三维UAG加工中,单颗磨粒切削轨迹长度的增大有利于其切削厚度减小,从而降低铣磨力并改善加工表面质量.     

单颗磨粒划擦陶瓷声发射信号 与材料去除体积关系研究

针对硬脆难磨削的氧化锆和氧化铝两种工程陶瓷,研究其磨削表面创建的声发射监测,研究单颗金刚石磨粒划擦陶瓷材料的去除体积与其对应的声发射信号之间的关联.试验结果表明:随着单颗磨粒划擦陶瓷去除体积的增大,其声发射信号在低频段的信号能量占比增大;声发射信号的均方根值、最大幅值和标准差等特征值增大,且这两种陶瓷材料单颗磨粒划擦声发射信号特征值的增大趋势不同;但这些声发射信号的特征值大小都与其对应的陶瓷材料去除体积有关.同时单颗磨粒划擦陶瓷的声发射信号的时间序列自回归AR(2)模型可以表示其对应的声发射信号.时间序列自回归AR(2)模型特征参数的绝对值都随划擦陶瓷去除体积增大而增大,且增大趋势与其声发射信号特征值的增大趋势相似.为工程陶瓷磨削表面创建的声发射在线监测打下了基础.     

单颗磨粒磨削AISI 1045钢的磨削力实验研究

采用回转直径为400 mm的单颗PCBN磨粒对AISI 1045钢进行磨削实验。使用Kistler 9119AA2型三维测力仪实时测量磨削力,借助扫描电子显微镜(SEM)观察工件表面质量和磨削形态。研究了磨削工艺参数对磨削力的影响规律,并就磨削速度对表面质量的影响进行了分析。结果表明:磨削工艺参数对磨削力有显著的影响,磨削力随磨削线速度增大而减小,随磨削深度增大而增大,随磨粒前角增大而减小;磨削线速度越大,工件表面质量越好,毛刺越少;负前角单颗磨粒磨屑形态主要有卷曲形和螺旋形两种。     

正前角金刚石磨粒磨削钛合金仿真与试验研究

为研究正前角金刚石磨粒磨削加工的机理,论证正前角磨削的可行性,采用有限元仿真软件ABAQUS建立单颗金刚石磨粒磨削Ti6Al4V钛合金过程的模型,对比研究不同工艺条件下具有正、负前角的单颗金刚石磨粒磨削过程中磨削力的变化规律.在此基础上,分别针对飞秒激光加工的正前角金刚石磨粒和原始的负前角金刚石磨粒开展钛合金磨削试验,采用测力仪测量磨削力,并将测得的磨削力与仿真结果进行对比;观测磨削加工表面形貌,测量表面粗糙度,将正、负前角磨削时的磨削力、磨削加工表面形貌和表面粗糙度进行对比.结果表明,在单颗金刚石磨粒磨削中,磨削力随着磨削速度的增大而减小,随着磨削深度的增加而增大,随着磨粒前角由负到正而逐渐减小,仿真得到的磨削力与试验结果的变化趋势基本吻合.相比于传统的负前角磨削,正前角金刚石磨粒具备良好的耐磨性,磨削表面磨痕较浅、加工缺陷少,表面粗糙度值降低58％～66％,可有效提高磨削加工表面质量.     

工程陶瓷高效深磨温度场的有限元仿真

在磨削温度实验的基础上,运用有限元法对工程陶瓷氧化铝及部分稳定氧化锆进行了高效深磨磨削温度场的仿真研究,得出了干磨及湿磨两种状态下工程陶瓷磨削温度场的分布;并分析了磨削温度梯度对工程陶瓷热裂纹的影响.结果表明:随着砂轮线速度增加,磨削温度场温度梯度增大;而随着磨削深度增大,不同材料的磨削温度梯度变化不同,且磨削温度梯度与磨削热裂纹的产生有一定的对应关系.     

CBN砂轮高速磨削磨削力分力比实验研究

通过实验分析了CBN砂轮高速磨削磨削力分力比的变化情况,针对不同的磨削参数对磨削力分力比的影响程度进行研究.结果表明:磨削深度ap的增大、砂轮线速度vs的提高、工作台速度vw的提高都会使磨削力分力比Cf增大.在砂轮状况对磨削力分力比的影响中,磨粒尺寸小的砂轮磨削力分力比更小.     

工程陶瓷高效深切磨削加工中声发射的实验研究

通过对部分稳定氧化锆(PSZ)和Al2O3两种工程陶瓷材料进行高效深切磨削加工中声发射的实验研究,分析了这两种材料在高效深磨过程中,在不同的砂轮线速度、工作台速度和磨削深度的条件下声发射信号变化的规律;同时也分析了在同一磨削参数下这两种材料对声发射信号的影响. 还分析了砂轮修整前后声发射信号的变化. 进一步在时域分析的基础上,对声发射信号进行了频谱分析. 分析了高效深磨过程中声发射信号的频谱分布范围. 实验研究结果表明,声发射信号与磨削过程有着良好的对应关系,可以利用磨削过程中声发射信号的变化规律实现对工程陶瓷材料高效深磨削过程的监测和控制.     

基于冲击原理的磨削接触区及磨削力建模

磨削力是滑擦、耕犁及切削三个阶段共同作用的结果,仅对切削阶段进行研究通常造成切削力计算值与实测值的误差较大;因此本文考虑磨削接触区冲击效应对整个平面磨削加工过程的影响,将接触区划分为冲击区和切削区两部分.通过分析磨粒在冲击区内对工件产生的冲击载荷的变化情况,建立了单颗磨粒的冲击载荷模型及参与冲击的磨粒数目模型,并结合磨削力在切削区的变化情况,构建磨削力理论计算模型及总磨削力数学模型.最后通过实验研究验证了理论分析的合理性.     

Experimental Studies on Ultrasonic Vibration Grinding of the Workpiece Made from Fine-crystalline Zirconia Ceramics

The performances of fme-crystalline zirconia ceramics in workpiece ultrasonic vibration grinding （WUVG） and conventional grinding （CG） with diamond wheel were researched. The effects of WUVG and CG on material removal rate, grinding forces, surface roughness and microstructure of zirconia ceramic were investigated. Experimental results indicated that： （1） The material removal rate （MRR） in ultrasonic grinding process is two times as large as that of in conventional grinding. The material removal rate increases with increasing grinding depth in both ultrasonic grinding and conventional grinding. （2） The ultrasonic vibration grinding force is lower than that of conventional grinding force, and the increase of the worktable speed leads to a decrease of the grinding force, while the grinding force increases with larger grinding depth in both WUVG and CG. （3） The surface of ultrasonic vibration grinding has no spur and build-up edge and its surface roughness is smaller than that of CG significantly. Surface quality of WUVG is superior to that of conventional grinding, it is easy for ultrasonic vibration grinding that material removal mechanism is ductile grinding.     

工程陶瓷高效深磨温度场的有限元仿真

在磨削温度实验的基础上, 运用有限元法对工程陶瓷氧化铝及部分稳定氧化锆进行了高效深磨磨削温度场的仿真研究.基于磨削温度的实验和传热学理论,得出了工程陶瓷工件的磨削热分配比;得出了干磨及湿磨两种状态下工程陶瓷磨削温度场的分布; 并分析了磨削温度梯度对工程陶瓷热裂纹的影响.结果表明: 随着砂轮线速度增加, 磨削温度场温度梯度增大; 而随着磨削深度增大,不同材料的磨削温度梯度变化不同,且磨削温度梯度与磨削热裂纹的产生有一定的对应关系.     

纳米复相陶瓷超声磨削频率与表面质量关系的实验研究

基于超声刻划试验得出超声振动下单颗磨粒去除材料方式的变化,从本质上解释了超声磨削下表面质量提高的原因.超声振动作用会导致材料的磨削层表面等效硬度急剧降低,材料去除方式从脆性向塑性转变,且随频率升高现象更为明显.实验结果表明,超声磨削下纳米复相陶瓷材料的表面质量高于普通磨削,且超声振动频率的升高对提高表面质量有促进作用.     

纳米结构陶瓷(n-WC/12Co)涂层材料精密磨削的试验研究

对纳米结构陶瓷(n—WC／12Co)涂层材料在金刚石砂轮精密磨削过程中的磨削力进行了较详细的试验研究，对常规结构陶瓷(c—WC／12Co)和n—WC／12Co涂层材料的磨削力作了对比磨削试验。分析了磨削工艺参数如砂轮磨削深度、工件进给速度、金刚石砂轮粘结剂类型和磨粒尺寸以及被磨试件材料特性等对磨削力的影响。结合被磨试件表面的扫描电镜(SEM)的观察，分析了n—WC／12Co涂层材料磨削的材料去除机理。     

氮化硅陶瓷的ELID高速磨削工艺试验研究

在采用封闭式阴极装置实现高速ELID磨削的基础上,对氮化硅陶瓷的ELID高速磨削工艺机理进行了研究.通过与非ELID高速磨削工艺的对比,揭示了氮化硅陶瓷ELID高速磨削的工艺机理,并给出了其表面粗糙度、磨削力与工艺参数之间的变化规律.这些规律表明:ELID高速磨削工艺能大大地减小氮化硅陶瓷的表面粗糙度值及磨削力,获得较好的表面质量.此外,砂轮线速度和磨削深度对其表面粗糙度值没有显著影响,且变化没有明显规律;而工件速度对表面粗糙度值存在一定的影响,表面粗糙度值随着工件进给速度的提高而增加,即表面加工质量有下降的趋势;ELID高速磨削工艺中的各类磨削参数均对氮化硅陶瓷的磨削力产生重大影响:磨削深度增加或工件速度的加快,都使磨削力变大;砂轮线速度的增加则导致磨削力下降.