硬脆材料超声振动磨削的试验研究

针对硬脆材料磨削效率低的难题,研究了硅片的超声振动磨削方法。进行了超声振动磨削与普通磨削的对比试验,研究了磨削参数变化对磨削力及表面粗糙度的影响,根据试验结果,分析了硬脆材料的脆性与塑性去除机理。研究证明:超声振动磨削硬脆材料虽然使粗糙度略有变大,但能够明显提高加工效率,降低加工成本。综合考虑精度与效率指标,超声振动磨削是一种实用的硬脆材料加工技术。     

Al2O3陶瓷的激光辅助磨削机理

针对氧化铝陶瓷难加工、加工表面质量差等问题,进行了激光辅助热磨削加工的研究.根据氧化铝陶瓷的热物理性能参数,分析了激光辅助磨削热加工机理,搭建激光辅助磨削加工实验系统,进行激光辅助磨削与常规磨削加工实验.采用扫描电子显微镜(SEM)和激光共聚焦分析加工后的工件表面.结果表明:采用激光辅助磨削加工氧化铝陶瓷可改变材料的去除方式,使陶瓷的脆性去除变为塑性去除;与常规磨削加工相比,加工表面形貌脆性断裂减少,表面粗糙度值更低,表面质量更好,砂轮使用寿命延长.     

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.     

超声振动条件下碳化硅抛光过程的分子动力学模拟

为了深入探讨在超声振动条件下立方碳化硅化学机械抛光过程中原子层面的材料去除机制,利用分子动力学方法建立碳化硅原子模型,以分析超声振动对刻划加工过程中碳化硅的晶体结构、温度、法向力和切向力的影响规律,并分析了超声振动频率对化学机械抛光质量及材料去除率的影响.结果表明:在刻划加工过程中碳化硅的局部出现了非晶态变化;超声振动的引入将大幅降低磨粒所受平均切向力和平均法向力,从而有利于刻划加工的进行及其表面质量的提高;在给定的模拟参数条件下,80GHz的超声振动频率最有利于提高材料去除率和加工表面质量,即当振动频率超过一定值后,超声振动对材料去除率和表面质量的影响不大.     

氧化镓单晶的磨削材料去除机理和损伤演化研究

为了探究氧化镓单晶在磨削过程中材料去除机理和亚表面损伤演化规律,通过变切深纳米划痕试验模拟单颗磨粒去除材料的过程来探究磨削过程中的材料去除机理,使用粒度分别为SD600、SD1500和SD5000的金刚石砂轮对氧化镓单晶进行磨削试验,分析磨削表面形貌和亚表面的损伤演化规律.使用扫描电子显微镜和透射电子显微镜作为主要表征手段,采用有限元法分析划痕过程中的应力分布.研究结果表明,氧化镓单晶在材料去除过程中沿不同晶向扩展的交错滑移带可能导致不规则的破碎坑,取向裂纹受到（-3-10）滑移面的严重影响. 随着砂轮粒径的减小,磨削表面形貌表现为破碎坑和取向裂纹主导的脆性表面逐渐演化为完全塑性表面.     

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.     

不同晶粒度45#钢超声辅助微铣削实验研究

超声辅助微铣削是在微铣削的加工过程中,对刀具或者工件施加一定频率和振幅的超声振动,改变材料去除机理,改善微铣削的加工特性.文中以45#钢为例研究晶粒度的大小对超声振动辅助微铣削结果的影响,对不同大小晶粒下45#钢进行了超声微铣削实验,分析材料晶粒度的大小对超声辅助微铣削实验结果的影响.通过改变微铣削工艺参数和超声振幅并进行正交实验,重点分析晶粒度的大小对铣削力,加工表面粗糙度和加工工件精度的影响.验证了在相同的工艺参数下微铣削过程中晶粒度较大的材料对应较小铣削力的结论,同时晶粒度较大的材料可以获得更好加工表面质量.      

硬脆材料超声辅助复合加工机床及其工艺研究

针对硬脆材料硬度高、脆性大、可加工性能差,采用普通加工方法难以进行复杂曲面加工的问题,提出了一种新型的复合加工机床结构,具有五轴铣削、超声辅助磨削和电火花加工等复合加工能力.提出了非接触式旋转超声辅助磨削加工方式并对原型装置进行开发,利用电磁转换式供电方法,实现超声电源和振动系统间的非接触供电,并对相关参数进行了设计.开发了基于复合加工的开放式数控系统,实现了放电粗加工、旋转超声辅助磨削加工和脉冲放电加工方法的集中控制、协调和融合.最后通过实验验证了机床的复合加工能力,证明了硬脆材料复杂形面的超声辅助加工能力.     

大理石磨削研究(Ⅰ)——大理石单颗粒端面磨削表面研究

本文用SEM观察了大理石单颗粒端面磨削表面,并从理论上提出和分析了大理石材料的塑性迁移、断裂迁移磨削切除机理; 详析了加工条件及材料组织结构等对磨削过程的影响。最后,提出了不同加工条件下的大理石磨削机理模型。它既有助于正确认识岩石材料的磨削加工特性,又为磨具的改进研究、加工工艺参数的优化研究,提供了理论依据。     

基于ANSYS的石英玻璃超声振动辅助微磨削温度场研究

本文对脆硬材料的超声振动辅助微磨削温度场有限元仿真进行研究。首先建立了超声振动辅助微磨削的能量分配比模型,基于能量分配比模型得到进入工件的热流量;其次,为验证理论解析模型,基于ANSYS建立了超声振动辅助微磨削的有限元模型,采用APDL语言对超声振动辅助微磨削温度场进行三维有限元仿真,仿真结果直观地揭示了三维温度场的形态特征和趋势规律。最后研究分析了不同磨削参数下石英玻璃磨削温度场的变化规律和边界尺寸效应。     

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.     

超声振动辅助抛光氮化镓分子动力学仿真分析

为了揭示超声振动辅助抛光（UVAP）氮化镓（GaN）的微观机理,为优化超声参数实现GaN材料高效去除和改善表面质量提供指导意见。采用分子动力学（MD）模拟方法研究了超声振动条件下单个磨粒在氮化镓（GaN）材料表面的划擦行为,并分析了超声振动周期和幅值对GaN材料去除行为的影响。结果表明,随UVAP振动周期的增大,平均切向力不断减小,平均法向力先增大后减小,损伤层厚度先降低后逐渐趋于平缓。振动周期为40 ps时,去除原子数量为常规抛光的5.6倍,同时损伤层深度仅为15.85 ?。而随着UVAP振幅的增加,平均切向力先减小后增大,平均法向力不断减小,划痕宽度和损伤层深度非线性增大。在振幅为8 ?时,损伤层深度与常规抛光基本保持一致,且去除原子数量相比常规抛光提升了4.6倍。UVAP较常规抛光能够降低平均磨削力,增大划痕宽度,提升去除原子数量,具有优异的抛光效果。UVAP振动周期和振幅的增大均会增加划痕底部的位错类型。此外,位错总长度的大小主要受振幅的影响,而与振动周期基本无关。通过调控UVAP振动周期和振幅分别为40 ps和8 ?,能够保证较好的表面质量和较高的材料去除效率。     

轴向超声振动辅助钻削机理与试验研究

针对传统钻削过程中经常出现断屑、排屑困难以及加工质量差等问题, 提出了轴向超声振动辅助钻削加工方法,并研究了其运动特性和断屑机理.利用自行设计的轴向超声振动辅助钻削系统对45号钢进行了传统钻削与轴向超声振动辅助钻削的对比试验.从孔的粗糙度、表面微观形貌、切屑形态等方面进行研究.结果表明,相对于传统钻削,轴向超声振动辅助钻削能有效降低孔表面粗糙度,改善孔表面微观形貌.另外,对试验结果进行方差分析,结果显示主轴转速和超声振幅对孔表面粗糙度有显著影响,其中当振幅在20μm,主轴转速在450r/min时加工效果最好.     

工程陶瓷高效深磨磨削力的形成机理研究

根据工程陶瓷的系统高效深磨试验,研究发现：在高效深磨条件下,磨削氧化锆和氧化铝的材料去除方式不同,分别为塑性成形去除和脆性断裂去除;最大未变形切屑厚度增大至超过临界切深后,其对氧化锆的单颗磨粒法向磨削力的线性增长规律影响很小,而使氧化铝的单颗磨粒法向磨削力的增长趋势逐渐变缓;切向磨削力主要由滑擦和塑性耕犁作用引起的摩擦力组成.     

超声振动辅助摩擦堆焊热-流耦合数值模拟

传统摩擦堆焊能量输入形式单一，随着堆焊材料强度的提高，堆焊过程中需要施加更大的轴向压力和转矩，极大限制其推广应用.为了解决上述问题，提出一种在耗材棒前方的基板上施加超声振动的超声振动辅助摩擦堆焊新工艺.以Ti-6Al-4V为研究对象，基于超声宏观软化效应建立了一个三维热-流耦合数值模型，定量分析了不同振幅下的超声振动对摩擦堆焊过程中温度场和材料流动行为的影响.计算结果表明，超声振动的预热效应并不明显，随着振幅的增加，超声振动能够显著提高熔合区塑性材料流动速度，降低材料黏度，扩大塑性材料流动区域.     

电解修整精密镜面磨削工件表面形态及切屑形成理论解析

研究了硬脆材料与电解修整磨削（ＥｌｅｃｔｒｏｌｙｔｉｃＩｎＰｒｏｃｅｓＧｒｉｎｄｉｎｇ,ＥＬＩＤ）超精密镜面磨削过程中的诸多现象,特别是对工件表面微观形态进行了研究,研究结果表明超精密镜面的微刃磨削在工件表面形成的磨痕不同于普通磨削,即工件表面材料是经过微细磨料的数次碾压、剪切、位错、滑移造成表面材料质量团累积塑性损伤,脱离材料表面层而形成切屑的．建立了微细切屑的塑性损伤形成力学模型,并进行了解析,结论适用于硬脆材料的韧性（Ｄｕｃｔｉｌｅ）超精密磨削条件及研磨、抛光工艺过程．     

Experimental Research on Grinding Surface-Quality of Dental Zirconia

The properties and cutting performance of Y_2O_3-stabilized tetragonal zirconia polycrystal( Y-TZP) used widely for dental restoration have been introduced. The surface roughness of denture made by the ceramics plays an important role in product quality. In order to enhance the surface quality of denture processing,the effect of grinding parameters such as spindle speed,feed rate and the depth of cut with different levels on denture surface roughness were deeply studied to look for reasonable grinding parameters. The experiment was arranged in the orthogonal method. A new dental bur used only for dentistry was employed to carry out the experiment in a high accuracy machining center which was developed by Nanjing University of Aeronautics and Astronautics. The experimental results demonstrated that the depth of cut was the major parameter on surface roughness. With scanning electron microscope( SEM),it was found that the ceramics debris and its surfaces damage were mainly affected by depth of cut. The surface formation mechanism of zirconia ceramics was revealed by the morphology of machined surface. The topographies of the grinded ceramics surfaces demonstrated that zirconia ceramics was removed by its brittle fracture and plastic deformation. The plastic deformation region at grinded ceramic surface was larger with the smaller grinding depth.Finally, an example for grinding molar crown using zirconia ceramics was provided. After processing,the surface morphology of the molar crown was measured. The results showed that its quality was high and met the requirements of dental restoration. The research results of this paper provide useful and theoretical basis for denture processing.     

Mirror SUrface Grinding of Steel Bonded Carbides

The steel bonded carbide, a composite material, is very difficult to be machined to a fine finish mirror surface. In this paper, an electrolytic in-process dressing (ELID) grinding with metallic bond super-hard abrasive wheel was developed for grinding steel bonded carbide GT35. Factors affecting ELID grinding performance were analyzed by an atomic force microscope (AFM). Based on the analysis of AFM topography of the fine ground mirror surface of the steel bonded carbide, a schematic diagram of the mechanism of micro-removal of the ground surface was described. The AFM topography also shows that the hard brittle carbide particles, on the surface of steel bonded carbide, were machined out by ductile cutting. Since the grinding cracks in the ground surface are due to temperature gradient, temperature distribution in the grinding area was analyzed by finite element method (FEM). Experimental results indicate that a good mirror surface with Ra<0.02pm can be obtained by the developed ELID grinding system.