纳米陶瓷超声ELID复合磨削加工机理及其表面质量研究

发布时间：2018-07-15 11:57

【摘要】：纳米陶瓷材料具有高强度、耐高温、耐磨损、化学稳定性好等诸多优点,在航空航天、材料工程以及机械工程等领域得到很多应用。同时,纳米陶瓷材料具有弹性模量高、断裂韧性低等特点,很难实现精密、高效加工,这也成为其广泛应用的瓶颈。目前,纳米陶瓷等硬脆材料高效镜面加工中技术相对比较成熟、应用范围较广的是超声振动磨削和ELID磨削。本文将对纳米陶瓷工件施加超声振动与ELID磨削相复合进行加工,分析两种磨削加工方式相复合的稳定性和相关性,研究复合磨削加工的材料去除机理、表面创成机理、磨削力变化规律以及表面微观质量,揭示纳米陶瓷材料超声ELID复合磨削高效超精密加工机理,为硬脆材料高效镜面加工技术改进和提升提供支撑。主要研究内容包括:首先,搭建纳米陶瓷超声ELID复合平面磨削试验研究平台。根据超声振动磨削、ELID磨削的加工机理,依托精密平面磨床,采用自行研制的超声振动试验工装,使用平面ELID磨削装置,实现超声ELID复合平面磨削试验研究平台构建。从整体组合的观点对复合磨削系统分析,采用有限元修整的方法,完成声学系统优化设计并进行振动性能测试。其次,研究纳米陶瓷超声ELID复合平面磨削加工氧化膜状态。根据电化学反应原理、超声振动磨削几何参数和单颗磨粒磨削轨迹等理论,建立超声ELID复合平面磨削加工中氧化膜的生成、去除及达到动态平衡情况下的厚度理论模型并进行仿真预测。这里采用信号表征的方式实现超声ELID复合磨削加工氧化膜状态有效控制,根据磨削力、极间电流等氧化膜的表征信号变化情况,分析得出超声振动对ELID磨削过程中氧化膜生成的厚度与强度影响很小,二者为弱相关。接着,分析纳米陶瓷超声ELID复合平面磨削加工材料去除机理、表面创成机理。依据金刚石磨粒压痕塑性去除原理,分析纳米陶瓷超声ELID复合平面磨削加工单颗磨粒临界切削深度、材料脆塑转变临界条件。以纳米陶瓷超声振动平面磨削加工单颗磨粒去除材料体积为基础,考虑ELID磨削的影响,建立复合平面磨削加工材料去除率数学解析模型,进行仿真预测和实验研究,与普通ELID磨削相比,材料去除效率明显提升。从工件材料质点运动轨迹角度分析超声ELID复合平面磨削加工的表面创成机理,通过超声ELID磨削与普通ELID对比试验得出,纳米陶瓷材料超声ELID复合平面磨削可以获得更优的加工表面。然后,研究纳米陶瓷超声ELID复合平面磨削加工的磨削力特性。依据普通磨削加工磨削力数学模型,从切削变形力、摩擦力和超声振动冲击力三个方面对纳米陶瓷超声ELID复合平面磨削加工磨削力进行分析,考虑超声振动和ELID对复合磨削的影响,建立纳米陶瓷超声ELID复合平面磨削加工的磨削力数学解析模型,进行仿真与试验分析,超声振动和ELID的复合作用有助于提升氧化膜的抛光特性,有效降低磨削力,独特的磨削力特性利于实现纳米陶瓷等硬脆材料磨削。最后,分析纳米陶瓷超声ELID复合平面磨削加工的表面微观质量。根据电火花修整的基本原理,对金属结合剂砂轮进行精密修整,使砂轮的圆度误差降低至3μm左右,满足纳米陶瓷超声ELID复合平面磨削加工要求。通过纳米陶瓷超声ELID复合平面磨削纳米陶瓷表面粗糙度试验,分析不同磨削参数、超声参数和ELID参数对表面粗糙度的影响状况。根据扫描电镜、白光干涉仪等测试技术,分析纳米陶瓷超声ELID复合平面磨削加工表面微观形貌、表面损伤的基本特征。试验研究得出,纳米陶瓷材料超声ELID复合平面磨削加工能够获得高质量的加工表面,表面粗糙度值低、表面微观形貌平整均匀、表面损伤少。研究表明,纳米陶瓷超声ELID复合平面磨削加工,既能发挥超声振动的精密高效磨削作用,又能达到ELID的超精密镜面磨削效果,氧化膜状态相对稳定、可控,可以实现纳米陶瓷等硬脆材料的高效镜面磨削加工。
[Abstract]:Based on the theory of ultrasonic vibration grinding and ELID grinding , it is difficult to realize precise and high - efficiency machining , which is based on ultrasonic vibration grinding and ELID grinding . The effect of ultrasonic vibration and ELID on surface roughness is analyzed by means of ultrasonic ELID and ELID .
【学位授予单位】：河南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ174.6

【参考文献】