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氮化硅陶瓷回转曲面典型零件高效精密磨削工艺实验与理论研究

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导师姓名
邓朝晖
学科专业
机械制造及其自动化
文献出处
湖南大学   2012年
关键词
氮化硅陶瓷论文  回转曲面论文  高效精密磨削论文  磨削论文  化学机械抛光论文  田口方法论文  响应曲面法论文
论文摘要

氮化硅等陶瓷材料以其优越的物理和力学性能,在航空航天、国防军工等领域得到了广泛应用。当前采用金刚石砂轮进行磨削加工仍是陶瓷材料的主要加工手段。但是由于自身的硬脆特性和难加工性,氮化硅磨削加工时易产生表面亚表面损伤等缺陷,造成零部件的使用性能下降。应用于飞行器天线罩的氮化硅陶瓷某回转曲面典型零件,其结构和表面质量直接影响到天线罩的探测和制导性能。因此,本文以该典型零件为研究对象,针对其高精度、高效率、无损伤磨削加工的要求,提出了结合精密磨削、ELID磨削、化学机械抛光技术的氮化硅陶瓷回转曲面典型零件的高效精密磨削加工工艺,通过理论分析、数学建模和工艺实验,分析了工艺参数对表面质量和材料去除机理的影响规律,优化了工艺参数。具体所做的研究工作内容主要包括如下:基于数控坐标磨床建立了典型零件高效精密磨削加工实验台,可完成氮化硅回转曲面典型零件的精密磨削、ELID磨削和化学机械抛光。设计了工装夹具方案,制定了典型零件的成型工艺路线和工艺试验方案。采用砂轮法向跟踪磨削方法进行回转曲面零件精密磨削实验,研究分析了磨削工艺参数与凸凹两种回转曲面磨削表面残留高度关系的数学模型。采用响应曲面法和单因素实验法研究了工艺参数对磨削表面粗糙度的影响规律,建立了砂轮半径、砂轮进给速度、工件曲率半径对表面粗糙度的影响规律模型。分析了回转曲面零件磨削时,氮化硅陶瓷的材料去除机理。建立了氮化硅磨削亚表面损伤深度预测计算模型,提出了基于圆形截面抛光的回转曲面磨削亚表面损伤深度检测方法,并实验分析了磨削工艺参数对亚表面损伤深度的影响规律。设计制造了回转曲面零件ELID磨削试验装置,建立了阳极溶解厚度与电压、占空比、电解液导电率、阴阳两极间距、预修锐时间等诸多因素间相互影响的关系模型。采用田口实验方法考察了脉冲频率、占空比、电解液流量以及砂轮转速这四个可控因素对电解预修锐时间的影响规律。建立了ELID动态磨削条件下,电压与占空比同磨削系统参数的关系数学模型。通过实验分析了回转曲面零件ELID磨削时,电解参数和磨削工艺参数对表面质量的影响规律。提出了回转曲面零件化学机械抛光工艺方案,可实现对小尺寸回转曲面零件的化学机械抛光。采用单因素实验法,研究了抛光液浓度、抛光液流量、抛光轮转速和抛光时间对加工表面粗糙度的影响规律。以加工表面粗糙度Ra为主要评价指标,采用田口方法进行氮化硅陶瓷回转曲面零件化学机械抛光的工艺参数优化。根据信噪比的望小特性分析,得到了氮化硅陶瓷回转曲面零件化学机械抛光最优工艺参数组合。通过方差分析,在氮化硅陶瓷回转曲面零件的化学机械抛光中,抛光轮转速对表面粗糙度的影响程度最大,抛光液流量次之,抛光液浓度的影响程度相对最小。进行了氮化硅陶瓷回转曲面某典型零件毛坯精密磨削成型、ELID磨削、化学机械抛光加工相结合的高效精密磨削加工工艺试验,获得表面粗糙度Ra3nm的无损伤表面,并与单一ELID磨削和单一化学机械抛光加工试验结果对比,验证了该加工工艺在提高表面质量和加工效率等方面的优势。提出了基于亚表面损伤深度预测控制的高效精密磨削各加工阶段的余量分配方案,采用模糊算法结合遗传神经网络建立了磨削工艺参数的评价与优选模型,并通过加工实例验证了方法的可行性。

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摘要

Abstract

插图索引

附表索引

主要符号索引

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.1.1 精细陶瓷精密磨削技术概述

1.1.2 精细陶瓷磨削表面/亚表面损伤研究现状

1.1.3 精细陶瓷的 ELID 磨削技术概述

1.1.4 精细陶瓷化学机械抛光(CMP)技术概述

1.2 论文研究的主要内容、目的和意义

1.2.1 研究课题的来源

1.2.2 论文的目的及主要内容

1.2.3 研究意义

1.3 本章小结

第2章 高效精密磨削加工实验台搭建与实验方案设计

2.1 典型零件及其加工工艺要求

2.2 实验材料及性能

2.3 高效精密磨削加工实验台的搭建

2.3.1 数控坐标磨床

2.3.2 精密磨削实验装置

2.3.3 ELID 磨削与化学机械抛光实验装置

2.4 表面质量测试与分析

2.4.1 表面粗糙度检测

2.4.2 表面形貌观察

2.4.3 磨削表面/亚表面损伤检测

2.4.4 磨削表面破碎损伤及其测量

2.5 工艺实验方案

2.6 本章小结

第3章 氮化硅陶瓷回转曲面典型零件精密磨削技术研究

3.1 回转曲面磨削表面残留高度建模

3.2 回转曲面磨削表面残留高度的模型分析

3.2.1 磨削工艺参数对磨削表面残留高度的影响

3.2.2 基于等磨削表面残留高度的进给速度优化

3.3 磨削工艺参数对磨削表面粗糙度的影响

3.3.1 砂轮半径、砂轮进给速度、工件曲率半径的影响

3.3.2 砂轮线速度的影响

3.3.3 砂轮粒度的影响

3.3.4 磨削深度的影响

3.4 磨削表面形貌实验研究

3.4.1 砂轮磨料粒度的影响

3.4.3 磨削深度与砂轮进给速度的影响

3.5 磨削亚表面损伤深度的研究

3.5.1 亚表面损伤深度模型的建立

3.5.2 圆形截面抛光法测量陶瓷磨削亚表面损伤

3.5.3 精密磨削工艺参数对亚表面损伤深度的影响规律

3.6 本章小结

第4章 氮化硅陶瓷回转曲面典型零件 ELID 磨削技术研究

4.1 ELID 磨削氧化膜作用机理

4.2 ELID 磨削实验装置研制

4.2.1 ELID 磨削电源

4.2.2 ELID 磨削砂轮

4.2.3 修整电极的设计

4.2.4 阳极电刷

4.2.5 ELID 磨削用电解液

4.3 电解参数对预修锐时间及氧化膜成膜的影响

4.3.1 电解预修锐氧化膜成膜机理

4.3.2 可控参数对预修锐时间的影响实验

4.4 ELID 动态磨削阶段控制方程

4.5 工艺参数对 ELID 磨削过程影响的实验研究

4.5.1 ELID 磨削试验所用仪器设备与参数

4.5.2 电解参数对 ELID 磨削表面粗糙度的影响

4.5.3 磨削工艺参数对 ELID 磨削表面粗糙度的影响

4.6 本章小结

第5章 氮化硅陶瓷回转曲面典型零件化学机械抛光技术研究

5.1 抛光工艺实验方案的设计

5.1.1 抛光液配制

5.1.2 抛光轮设计

5.1.3 抛光运动方式与实验参数

5.2 工艺参数对化学机械抛光表面粗糙度的影响

5.2.1 抛光液浓度对表面粗糙度的影响

5.2.2 抛光液流量对表面粗糙度的影响

5.2.3 抛光轮转速对表面粗糙度的影响

5.2.4 抛光时间对表面粗糙度的影响

5.3 基于田口方法的化学机械抛光工艺参数优化

5.3.1 田口实验方法的原理及实现

5.3.2 参数水平选择与正交表设计

5.3.3 参数优化结果与讨论

5.4 本章小结

第6章 典型零件高效精密磨削加工工艺研究

6.1 高效精密磨削加工工艺

6.2 高效精密磨削加工工艺试验主要设备与参数

6.3 高效精密磨削加工工艺试验

6.3.1 普通磨削与 ELID 磨削对比试验研究

6.3.2 精密磨削—ELID 磨削与精密磨削—CMP 对比试验研究

6.3.3 高效精密磨削加工工艺方案的实现及其试验研究

6.4 基于亚表面损伤深度预测控制的高效精密磨削加工工艺参数优选

6.4.1 基于模糊遗传神经网络的精密磨削工艺参数优选

6.4.2 ELID 磨削与化学机械抛光工艺参数优化

6.4.3 基于亚表面损伤深度预测控制的高效精密磨削加工实例

6.5 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录 A 攻读博士学位期间所发表的学术论文

附录 B 攻读博士学位期间所获得的软件著作权

附录 C 攻读博士学位期间所参加的科研项目

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