工程陶瓷超聲輔助固著磨料高效研磨機(jī)理及試驗研究.pdf

1、工程陶瓷零件的精密超精密加工技術(shù)越來越被得到重視，不同的精整加工方法被提出和應(yīng)用。固著磨料高效研磨技術(shù)是在離散磨料研磨基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種精整加工技術(shù)，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(yán)重、研磨質(zhì)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(jī)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(jìn)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(shù)相結(jié)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(xué)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(fù)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(jī)理及其表面加工質(zhì)量進(jìn)行了系統(tǒng)的理論和試驗研究。研究內(nèi)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(shù)，并研制出相應(yīng)的

3、加工裝置。采用有限元方法結(jié)合振動特性試驗對超聲研磨裝置聲學(xué)系統(tǒng)振動特性進(jìn)行分析，獲得在發(fā)生器頻率可調(diào)范圍內(nèi)的系統(tǒng)固有頻率和振型及研具內(nèi)外兩條金剛石丸片路徑的振動幅值分布特性，研究結(jié)果為超聲輔助固著磨料高效研磨機(jī)理及相關(guān)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(jìn)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。基于壓痕斷裂力學(xué)，結(jié)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(jī)理進(jìn)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(jìn)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(shù)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(guān)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(jìn)行時頻分析

5、，結(jié)合劃痕CCI圖像，獲得材料脆延去除特征頻率范圍。構(gòu)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(jù)。 4.從表面形貌、表面粗糙度、表面分形特性、表面殘余應(yīng)力特性以及表面物相結(jié)構(gòu)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(zhì)量進(jìn)行研究，獲得不同加工方式和參數(shù)對研磨表面質(zhì)量的影響規(guī)律，研究結(jié)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(zhì)量。 5.結(jié)合生產(chǎn)實踐要求，基于響應(yīng)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(yù)測模型；綜合處理高效與精密的關(guān)系，以最大材料去除率為目標(biāo)變量，以表面粗糙度為約束變量，同時考慮機(jī)床和工件的實際約束條件，建立了超聲研磨參數(shù)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用遺傳算法(GA)對超聲輔助研磨參數(shù)進(jìn)行了尋優(yōu)并進(jìn)行了工程實例驗證。 課題研究結(jié)果有助于揭示工程陶瓷超聲輔助高效精密加工機(jī)理，完善和發(fā)