微-納米復(fù)合陶瓷二維超聲振動磨削機(jī)理試驗研究.pdf

1、本文在對硬脆材料的塑性域加工機(jī)理及加工表面微觀特性的研究方法與進(jìn)展水平深入系統(tǒng)的分析基礎(chǔ)之上，找出了目前該領(lǐng)域尚可深入研究的內(nèi)容，選擇目前陶瓷界研究熱點之一的納米ZrO2增韌Al2O3復(fù)相陶瓷為研究對象，將復(fù)相陶瓷的納米增韌改性技術(shù)和超聲二維振動磨削技術(shù)相結(jié)合，以陶瓷壓痕斷裂力學(xué)，微觀斷裂物理學(xué)為理論基礎(chǔ)，研究了硬脆材料二維超聲振動磨削的脆-塑轉(zhuǎn)變機(jī)理；建立了硬脆材料高效去除率模型；從磨削力特性、磨削溫度、材料去除率和磨削表面微觀特征等

2、方面，系統(tǒng)研究了二維超聲振動磨削參數(shù)對微-納米復(fù)合陶瓷加工特性的影響，揭示微-納米復(fù)合陶瓷這一新興材料的二維超聲高效塑性加工機(jī)理，尋求高效精密加工新工藝，進(jìn)一步推動微-納米復(fù)合陶瓷的工程實際應(yīng)用。本文取得以下新的研究成果： 第一，提出了二維超聲振動磨削技術(shù)。從運(yùn)動學(xué)的角度分析了振動系統(tǒng)在外部二維簡諧激振力的作用下產(chǎn)生的運(yùn)動軌跡振動響應(yīng)的基本條件和軌跡特征；基于二維超聲振動磨削單顆磨粒切削運(yùn)動軌跡仿真模型，定義了單顆磨粒在工件表面

3、的“橢螺線”相對運(yùn)動軌跡；運(yùn)用機(jī)械阻抗綜合法，進(jìn)行了二維超聲振動系統(tǒng)組合共振研究，建立了兩個坐標(biāo)聯(lián)結(jié)的二維超聲振動組合系統(tǒng)模型，獲得了二維超聲振動系統(tǒng)固有頻率方程。 第二，微-納米復(fù)合陶瓷二維超聲振動磨削的脆-塑轉(zhuǎn)變機(jī)理研究?；诙S超聲振動磨削單顆磨粒與工件的接觸狀態(tài)分析，建立了二維超聲振動磨削單顆磨粒的運(yùn)動模型；基于壓痕斷裂力學(xué)模型，建立了硬脆材料二維超聲振動磨削脆-塑轉(zhuǎn)變臨界條件；基于沖量理論和振動加工理論，采用力的疊加原

4、理建立二維超聲振動磨削力的數(shù)學(xué)模型和材料高效去除率數(shù)學(xué)模型。研究了粗細(xì)磨粒二維超聲振動磨削微-納米復(fù)合陶瓷的脆-塑轉(zhuǎn)變特征，本論文實驗研究結(jié)果表明，同樣磨削條件下，二維超聲振動塑性磨削力比普通磨削塑性磨削力要小20-30％；二維超聲振動磨削區(qū)溫度比普通磨削區(qū)溫度低40％-50％；同樣磨削條件下，二維超聲振動磨削比普通磨削表面粗糙度可減小30-40％，加工效率可提高1-2倍。經(jīng)放電等離子燒結(jié)制備的晶內(nèi)型結(jié)構(gòu)的Al2O3-ZrO2(n)微-

5、納米復(fù)合陶瓷，其沿晶/穿晶混合斷裂模式及其豐富的位錯組態(tài)有利于提高材料的塑性。 第三，借助掃描電鏡、透射電鏡，X射線衍射分析、原子力顯微鏡等多技術(shù)相融合的檢測手段研究了微-納米復(fù)合陶瓷二維超聲振動磨削表面微觀特性，探討了二維超聲振動磨削微-納米復(fù)合陶瓷的材料去除機(jī)理。結(jié)果表明，粗粒度砂輪磨削Al2O3-ZrO2(n)微-納米復(fù)合陶瓷時，材料是以晶界、空隙和微裂紋空間的破壞等方式為主要的去除機(jī)理。細(xì)磨粒精密磨削時，磨粒切入晶粒內(nèi)部

6、，工件材料內(nèi)部微觀分布的缺陷和材料的不均勻性直接影響磨削表面微觀特性。材料的去除是由金剛石磨粒作用于陶瓷工件瞬間產(chǎn)生的所有微觀變形和破碎累計完成的。微-納米復(fù)合陶瓷微觀變形機(jī)理為“晶內(nèi)型”結(jié)構(gòu)增強(qiáng)相的晶粒內(nèi)位錯，基體晶粒的晶界滑移、晶間第二相的協(xié)調(diào)變形為其變形協(xié)調(diào)機(jī)制。微-納米復(fù)合陶瓷磨削表面殘余應(yīng)力是磨削負(fù)載、相變應(yīng)力和裂紋產(chǎn)生釋放殘余應(yīng)力的綜合作用的結(jié)果。 基于上述研究，提出了微-納米復(fù)合陶瓷二維超聲振動磨削表面變質(zhì)層結(jié)構(gòu)模