纵扭复合振动超声磨削加工工程氧化锆陶瓷机理及工艺研究

发布时间：2020-08-05 16:51

【摘要】：陶瓷材料作为硬脆材料的一种,具有强度硬度高、耐高温高压、抗腐蚀性好及良好的生物特性等优点,而被广泛应用于精密仪器、军事工业、航空航天、医疗器械、计算机工程等领域的关键精密零件。对于陶瓷材料,目前工业生产中的线切割、电解或磨削加工等手段在加工过程中容易产生集中热量,出现热应力而导致热裂纹产生,加工质量差,效率低;因此本文根据超声振动加工硬脆陶瓷材料的工艺特点,选择工程氧化锆陶瓷材料作为具体研究对象。首先分析超声加工硬脆陶瓷材料的实际意义,再对目前陶瓷材料的加工理论基础和工艺手段进行总结,以实际加工运动过程为基础,结合压痕断裂力学理论分析纵扭复合振动超声加工陶瓷材料破碎去除机理,搭建试验平台,以加工过程物理量磨削力的变化规律和加工材料表面形貌分析材料去除过程机理,与理论相结合,丰富振动输出模式,满足陶瓷材料高效高精密的加工要求,主要研究方法和结论如下:1、首先通过总结目前关于陶瓷材料加工机理研究的理论基础和存在的加工工艺手段的优劣性,得到复合振动超声对加工陶瓷材料具有一定的优越性,并对复合振动超声加工在硬脆类材料上的研究应用进行归纳,确定了纵扭复合振动超声加工对陶瓷材料的工艺优势;2、对纵扭复合振动超声加工过程中的工具与材料之间的相对运动形式和加工过程进行建模分析,振动输出模式的不同使得刀具磨粒与材料之间出现微观上的接触-分离效应,切屑流出与磨粒间的摩擦力存在反转效应及振动冲击式的加工特性,再结合对比试验证明独特的运动形式可有效保持磨粒的锋利性,减弱刀具的磨损,利于较好表面质量的形成;3、基于陶瓷材料压痕断裂力学理论,结合外加超声振动效应,建立单颗磨粒压痕压入过程接触区域弹塑性应力场变化模型,分析磨粒压痕过程裂纹群的成核生长和交织扩展脱落去除过程,得到加工过程中材料发生脆塑性转变的临界切削深度计算公式,发现裂纹的成核生长与外加载荷大小具有直接关系,外加超声振动加工有利于扩大材料塑性加工区域,横向裂纹与径向裂纹能促进材料破碎去除,提高材料去除率,又能保证加工表面质量;4、建立纵扭复合振动超声加工过程中磨削力模型,搭建试验测力系统平台,通过磨削力试验对比分析得知超声振动加工具有减小磨削力,平稳加工过程,受力小而均匀的工艺特点,并进一步分析磨削力随超声振动能量、主轴转速、进给速度、磨削深度等加工参数的变化规律;5、以工程氧化锆陶瓷材料作为试验对象,进行纵扭复合振动超声磨削加工单因素试验分析工艺参数(超声振动能量、主轴转速、进给速度、磨削深度)对加工表面质量的影响规律,发现表面粗糙度值随超声振动能量和主轴转速的增大而减小,而磨削深度和进给速度增大,表面粗糙度值也会增大,并在单因素参数影响规律的基础上选取重要加工参数因素水平进行正交试验,分析加工参数对表面粗糙度的影响显著性程度,试验结果表明:超声振动能量、主轴转速、磨削深度、进给速度对表面粗糙度的影响程度依次减弱,且最佳表面加工参数组合是超声振动能量34v,磨削深度9μm,进给速度15mm/min及主轴转速24000r/min。
【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ174.6
【图文】：

图 1-1 变载荷划痕试验及其声发射图像变化情况Fig.1-1 Variable load scratch test and its acoustic emission image varia然陶瓷类硬脆材料的特殊性给零件增加了许多优越的使用性能，

图 1-2 扁钻微孔钻削系统Fig1-2. Drilling system of flat drilling microho传统一维超声振动加工的振动输出模式单一，无

= =图 2-2 相位差 值不同时磨粒的合成运动轨迹Fig.2-2 Synthetic trajectory of abrasive with Phase difference value in difference由以上振动效应下磨粒的轨迹位移变化情况可以看出，当沿 x、z 两个方向

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本文编号：2781767