工程陶瓷超聲輔助固著磨料高效研磨機理及試驗研究.pdf

1、工程陶瓷零件的精密超精密加工技術越來越被得到重視，不同的精整加工方法被提出和應用。固著磨料高效研磨技術是在離散磨料研磨基礎上發(fā)展起來的一種精整加工技術，兼具超精密磨削和傳統(tǒng)研磨的特點，較好解決了傳統(tǒng)的游離磨料研磨效率低、磨料浪費嚴重、研磨質量不易控制等缺點，并且克服了傳統(tǒng)超精密磨削中對環(huán)境和機床依賴性大等不足。同時考慮到超聲振動加工方法在加工硬脆材料方面獨特的優(yōu)越性，本文提出了采用固著磨料對工程陶瓷進行超聲輔助研磨這一課題，將特種加工與

2、普通超精密加工技術相結合，高效獲得工程陶瓷材料高精密超光滑加工表面。 本課題在河南省杰出人才創(chuàng)新基金和河南省自然科學基金的資助下，選擇常見的Al2O3、ZrO2工程陶瓷和目前陶瓷界研究熱點之一的ZTA復相陶瓷作為研究對象，對工程陶瓷的超聲輔助固著磨料高效研磨機理及其表面加工質量進行了系統(tǒng)的理論和試驗研究。研究內容主要包括： 1.針對工程陶瓷精密外圓類零件的高效精密加工要求，提出超聲輔助固著磨料高效研磨技術，并研制出相應的

3、加工裝置。采用有限元方法結合振動特性試驗對超聲研磨裝置聲學系統(tǒng)振動特性進行分析，獲得在發(fā)生器頻率可調范圍內的系統(tǒng)固有頻率和振型及研具內外兩條金剛石丸片路徑的振動幅值分布特性，研究結果為超聲輔助固著磨料高效研磨機理及相關試驗的研究提供有力的保證。 2.通過對圓柱面超聲輔助固著磨料研磨磨粒運動特性進行分析，建立了無附加超聲、附加軸向、徑向和切向超聲振動四種模式下的單顆磨粒運動模型?；趬汉蹟嗔蚜W，結合單點金剛石超聲輔助單擺刻劃試驗

4、，對三種超聲輔助方式下的工件材料去除機理進行研究，分析了輔助超聲能夠增大延性加工范圍的原因?；跊_量理論和振動加工理論，對附加超聲振動的磨粒受力進行分析，建立了在延性域和脆性域的材料去除率理論模型，并定性討論了影響工程陶瓷研磨去除率的因素及規(guī)律。 3.試驗研究了研磨參數對材料延性去除與脆性斷裂比例的影響規(guī)律及研磨過程平均研磨分力比與材料脆延去除特性之間的關系。通過對ZTA陶瓷超聲輔助單點金剛石單擺刻劃過程的聲發(fā)射信號進行時頻分析

5、，結合劃痕CCI圖像，獲得材料脆延去除特征頻率范圍。構建工程陶瓷超聲輔助研磨材料脆延去除特性在線監(jiān)測系統(tǒng)，通過小波包分析，建立了基于小波包分解頻帶能量的材料脆延去除特性在線監(jiān)測判據。 4.從表面形貌、表面粗糙度、表面分形特性、表面殘余應力特性以及表面物相結構的變化等五方面，對ZrO2、Al2O3和ZTA三種工程陶瓷材料超聲輔助固著磨料研磨表面質量進行研究，獲得不同加工方式和參數對研磨表面質量的影響規(guī)律，研究結果表明超聲振動的附加

6、在一定程度上改善了表面加工質量。 5.結合生產實踐要求，基于響應曲面法(RSM)建立了工程陶瓷超聲輔助研磨加工材料去除率和表面粗糙度的預測模型；綜合處理高效與精密的關系，以最大材料去除率為目標變量，以表面粗糙度為約束變量，同時考慮機床和工件的實際約束條件，建立了超聲研磨參數優(yōu)化數學模型，應用遺傳算法(GA)對超聲輔助研磨參數進行了尋優(yōu)并進行了工程實例驗證。 課題研究結果有助于揭示工程陶瓷超聲輔助高效精密加工機理，完善和發(fā)