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氮化硅陶瓷超声振动铣磨加工表面完整性研究

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导师姓名
周明
学科专业
机械制造及其自动化
文献出处
哈尔滨工业大学   2013年
关键词
超声振动论文  铣磨论文  氮化硅论文  机理论文  表面完整性论文  损伤论文
论文摘要

陶瓷材料具有强度高、硬度大、耐磨损、耐腐蚀等优点,已经在高科技领域中展现出了巨大的应用价值和广阔的应用前景,但本身的分子结构决定了其脆性高、硬度大,可加工性差,限制了其工程应用。目前常用的加工方法是金刚石磨削结合后续抛光的加工工艺,但该加工工艺效率低、成本高,难以满足工程应用需求。超声振动铣磨加工技术采用超声振动结合金刚石磨削从而达到陶瓷材料的高效精密加工。目前对该技术的研究还不成熟,进一步对该技术进行深入的研究对推动陶瓷材料精密加工技术的发展具有十分重要的意义。陶瓷材料加工机理的研究是实现陶瓷材料精密加工的基础。本文通过显微压痕试验确定了热压氮化硅的临界载荷;以压痕断裂力学理论为基础,分析了超声振动铣磨加工临界切削深度和超声振动作用对裂纹系统的影响,并提出了裂纹屏蔽效应产生的临界条件;基于压痕断裂理论建立了超声振动铣磨加工磨削力数学模型,并对不同加工参数下的磨削力进行了测量,理论与试验结果对比分析表明二者具有相似的变化规律。同时试验结果还显示超声振动有利于降低磨削力,从而使材料塑性去除的比例相对增加。本文对氮化硅陶瓷进行了不同参数下的加工试验,加工表面形貌和磨屑形态的观测分析结果表明在氮化硅陶瓷超声振动铣磨加工中材料以脆性去除为主、脆塑性共存的方式去除。陶瓷材料的工程应用对表面粗糙度有很高的要求,研究加工表面粗糙度的影响因素及影响规律是降低加工表面粗糙度的基础。本文基于砂轮表面形貌仿真和超声振动铣磨加工运动分析,建立了陶瓷材料超声振动铣磨加工表面粗糙度预测模型,通过实验对该模型的有效性进行了验证,并通过正交试验以降低加工表面粗糙度为目标进行了加工参数优选,为实际加工中参数的选择提供了依据。陶瓷器件在某些工程应用中对表面的耐磨性和润滑性等有严格要求,二维表面粗糙度有时不能提供足够的信息以对加工过程进行控制,而三维表面评价技术能够提供更加丰富、准确、全面的信息。因此本文对氮化硅陶瓷超声振动铣磨加工表面的三维形貌表征技术进行了研究,并研究了加工参数对加工表面三维形貌的影响规律。结合功率谱密度分析法对不同加工条件下工件表面的幅值特征、空间特征、功能特征、纹理特征等进行了分析和对比,为不同工程应用需要下的加工参数的选择提供了理论和实验依据。陶瓷材料机械加工引入的加工损伤对工件的性能和使用寿命都有极大的影响,如何准确检测、定量评价加工损伤是陶瓷材料精密加工面临的一大难题。本论文基于数字化图像处理技术,定义了面积破损率、最大崩碎面积比、崩碎区域总个数和大崩碎区域个数四个参数,对超声振动铣磨加工中不同加工条件下表面损伤程度进行了评价和比较;用逐层腐蚀抛光技术结合截面显微图像观察,研究了超声振动铣磨加工亚表面损伤特征;用X射线衍射法测量了加工表面残余应力,并研究了加工参数对残余应力的影响规律。比较相同条件下氮化硅陶瓷超声振动铣磨和普通铣磨加工对亚表面损伤的影响,发现超声振动铣磨可以在不加剧表面/亚表面损伤程度的前提下采用较大的切削深度,有利于实现陶瓷材料的高效精密加工。

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摘要

ABSTRACT

第1章 绪论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 陶瓷材料精密加工技术研究现状

1.2.1 陶瓷材料的加工方法及超声振动铣磨加工技术

1.2.2 陶瓷材料加工机理的研究现状

1.2.3 陶瓷材料加工表面粗糙度的研究现状

1.2.4 陶瓷材料加工表面三维形貌的研究现状

1.2.5 陶瓷材料加工表面和亚表面损伤的研究现状

1.3 本文的主要研究内容

第2章 陶瓷材料超声振动铣磨加工机理的研究

2.1 引言

2.2 基于压痕断裂力学的超声振动铣磨加工材料去除机理

2.2.1 压痕断裂力学分析

2.2.2 氮化硅陶瓷的临界载荷

2.2.3 超声振动作用对裂纹系统的影响

2.2.4 陶瓷材料超声振动铣磨加工中脆塑转变临界切削深度

2.3 陶瓷材料超声振动铣磨加工磨削力数学模型

2.3.1 磨削力数学模型的建立

2.3.2 超声振动铣磨加工磨削力的测量

2.3.3 加工参数对磨削力的影响及分析

2.4 陶瓷材料超声振动铣磨加工机理的试验研究

2.4.1 基于磨屑形态的材料去除机理分析

2.4.2 基于加工表面微观形貌的材料去除机理分析

2.5 本章小结

第3章 氮化硅陶瓷超声振动铣磨加工表面粗糙度预测模型

3.1 引言

3.2 砂轮表面形貌仿真

3.2.1 砂轮表面形貌采样

3.2.2 采样数据的处理

3.2.3 砂轮形貌仿真过程分析

3.2.4 砂轮形貌仿真结果验证

3.3 超声振动铣磨加工运动学分析

3.4 加工表面粗糙度预测及三维形貌仿真

3.4.1 表面轮廓搜索算法

3.4.2 表面形貌仿真及粗糙度预测

3.5 实验验证

3.6 预测模型在参数优选中的应用

3.7 本章小结

第4章 氮化硅陶瓷超声振动铣磨加工表面三维形貌表征及影响因素分析

4.1 引言

4.2 加工表面三维形貌评定基准面的确定

4.3 加工表面三维形貌表征参数

4.4 超声振动铣磨加工参数对加工表面三维形貌的影响及分析

4.4.1 试验条件及结果

4.4.2 主轴转速对加工表面三维形貌的影响

4.4.3 进给速度对加工表面三维形貌的影响

4.4.4 切削深度对加工表面三维形貌的影响

4.4.5 超声振动作用对加工表面三维形貌的影响

4.5 陶瓷材料超声振动铣磨加工表面形貌的功率谱密度分析

4.5.1 二维傅立叶变换

4.5.2 二维功率谱密度

4.5.3 不同加工参数下加工表面形貌功率谱密度分析

4.6 本章小结

第5章 氮化硅陶瓷超声振动铣磨加工表面和亚表面损伤的研究

5.1 引言

5.2 超声振动加工表面损伤特征的提取

5.3 超声振动铣磨加工表面损伤的定量评价与分析

5.3.1 超声振动铣磨加工表面损伤评价参数的确定

5.3.2 超声振动铣磨加工参数对表面损伤的影响及分析

5.3.3 超声振动铣磨加工表面损伤与表面粗糙度的关系

5.4 陶瓷材料超声振动铣磨加工亚表面损伤的研究

5.4.1 超声振动作用对亚表面损伤的影响

5.4.2 亚表面损伤检测及结果分析

5.4.3 亚表面损伤深度与磨削力和表面粗糙度的关系

5.5 超声振动铣磨加工参数对残余应力的影响及分析

5.5.1 残余应力测量方法及试验结果

5.5.2 加工参数对残余应力的影响分析

5.6 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

致谢

个人简历

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