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基于大磨粒金刚石砂轮的光学玻璃高效精密磨削技术研究

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导师姓名
赵清亮
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
大磨粒电镀金刚石砂轮论文  光学玻璃论文  高效修整论文  精密磨削论文  信号监测论文
论文摘要

光学玻璃的高精度、高效率磨削加工已经成为国家光学工业以及国家重大工程项目比如“神光Ⅲ”的重要发展方向。目前,光学玻璃的精密超精密磨削主要采用细磨粒金刚石砂轮(树脂基和金属基)进行,但是频繁的修整过程大大降低了加工效率。而大磨粒金刚石砂轮的耐磨损能力强,加工工件的面形精度高,磨削比值较大,但其高效精密的修整是实现精密磨削的关键技术。本课题采用大磨粒电镀金刚石砂轮,以BK7、熔凝石英、熔融石英光学玻璃为加工对象,为实现高精度、高效率加工,主要进行了以下研究工作:通过单颗粒金刚石刻划BK7光学玻璃实验,对尖锐金刚石与钝化金刚石的磨损状态以及工件表面塑性流动的情况进行分析,并且根据测得的法向磨削力对平面磨削后玻璃的机械残余应力进行仿真分析。结果表明,与尖锐磨粒相比,钝化磨粒具有更强的耐磨损能力,加工玻璃表面产生塑性流动的区域面积更大;在塑性域去除条件下,大磨粒砂轮磨削加工后工件表层的机械残余应力值更低。该研究为大磨粒金刚石砂轮在光学玻璃精密加工领域的应用奠定了理论基础。提出了适用于大磨粒金刚石砂轮的高效精密修整方法,并利用金刚石表面微观磨损形貌及拉曼光谱分析揭示了修整的机理。首先,通过仿真分析选用Cr12钢对电镀金刚石砂轮进行干磨粗修整,修整区域聚集的热量加快了金刚石磨损速度,使砂轮圆跳动误差快速收敛至10μm以内。粗修整之后金刚石表面有石墨和C60生成,其磨损形式主要表现为钝化磨损、氧化及扩散磨损,并伴有少量的微破碎。其次,采用杯形金刚石滚轮对砂轮进行精修整,注入的冷却液减小了砂轮的热变形量,磨粒磨损形式主要表现为热应力磨耗磨损及少量的微小断裂。最终,砂轮的圆跳动误差及轴向梯度误差分别降低至5μm和3μm以内。运用修整后的电镀金刚石砂轮对光学玻璃进行平面磨削实验,结果表明,加工后工件表面粗糙度Ra值低于25nm,亚表层损伤深度约为2μm。然后分别采用电镀金刚石砂轮、细磨粒树脂基及金属基金刚石砂轮,对大尺寸BK7光学玻璃进行磨削。根据加工表面检测结果得知,电镀金刚石砂轮磨削工件的表面粗糙度值高于细磨粒砂轮,但是沿着平行及垂直于磨削轨迹的两个方向,电镀砂轮加工工件表面的PV值分别为2.28μm、4.17μm,都明显低于其他两种细磨粒砂轮。基于最新提出的砂轮磨损量测量方法,对大磨粒及细磨粒金刚石砂轮磨削光学玻璃时的磨削比进行比较。结果表明,当平面磨削大尺寸BK7光学玻璃时,它的磨削比高达350左右,为细磨粒砂轮的50-70倍。可见大磨粒金刚石砂轮具有极高的磨削比值,这将降低砂轮磨损率,并大大提高加工效率。运用多传感器(力传感器、声发射传感器)监测技术,分析工艺参数及工件表面质量对于作用力及声发射信号的映射关系。结果表明,材料硬度值、单颗磨粒未变形切屑厚度以及砂轮-工件接触面积越大,法向磨削力就越高;材料塑性去除能力及砂轮相对于工件的加载速度越大,声发射信号就越强。另外,采用小波包变换技术,提取对应于砂轮磨损的频段信号,得出修整及磨削过程中声发射信号特征的阈值判据,为实现砂轮修整及磨削加工的监测提供了技术支撑。

论文目录
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摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题研究的目的和意义

1.2 国内外研究现状及分析

1.2.1 细磨粒金刚石砂轮精密磨削光学玻璃的研究

1.2.2 大磨粒金刚石砂轮精密磨削硬脆材料的研究

1.2.3 声发射信号监测技术

1.3 本文的主要研究内容

第2章 基于大磨粒金刚石砂轮的光学玻璃塑性域磨削性能研究

2.1 引言

2.2 BK7 光学玻璃弹塑性模型的建立

2.2.1 纳米压痕实验分析

2.2.2 材料应力-应变曲线

2.3 光学玻璃平面磨削的残余应力仿真

2.3.1 平面磨削的法向磨削力建模

2.3.2 机械残余应力的仿真结果评价

2.4 单颗粒金刚石刻划光学玻璃实验研究

2.4.1 实验条件

2.4.2 实验结果分析

2.5 本章小结

第3章 大磨粒电镀金刚石砂轮的高效精密修整研究

3.1 引言

3.2 大磨粒金刚石砂轮高效精密修整方案

3.2.1 修整方法及原理

3.2.2 粗修整用铁基材料的选取

3.2.3 高效精密修整系统的搭建

3.2.4 大磨粒金刚石砂轮的修整误差分析

3.3 应用铁基材料粗修整电镀金刚石砂轮的研究

3.3.1 基于多磨粒刻划实验的金刚石磨损机理分析

3.3.2 大磨粒电镀金刚石砂轮的粗修整工艺研究

3.4 应用杯形滚轮精密修整电镀金刚石砂轮的研究

3.5 砂轮修整形状精度对光学玻璃磨削表面质量的影响

3.5.1 磨削实验条件

3.5.2 磨削表面质量分析

3.6 本章小结

第4章 光学玻璃精密磨削加工工艺研究

4.1 引言

4.2 光学玻璃的可加工性分析

4.2.1 显微压痕实验条件

4.2.2 光学玻璃的压痕形貌分析

4.2.3 光学玻璃的机械性能参数计算

4.3 不同粒度金刚石砂轮的磨削比研究

4.3.1 磨削实验条件

4.3.2 磨削比的测量计算方法

4.3.3 磨削比结果分析

4.4 不同粒度金刚石砂轮的磨削表层完整性研究

4.4.1 磨削表面质量分析

4.4.2 磨削亚表层损伤分析

4.5 大尺寸 BK7 光学玻璃的磨削实验研究

4.5.1 磨削实验条件

4.5.2 基于大尺寸 BK7 光学玻璃磨削实验的磨削比分析

4.5.3 大尺寸 BK7 光学玻璃磨削表面粗糙度分析

4.5.4 大尺寸 BK7 光学玻璃磨削表面的面形误差分析

4.6 本章小结

第5章 修整及磨削过程的信号监测技术研究

5.1 引言

5.2 加工表面粗糙度与磨削力及声发射信号的关系

5.2.1 实验条件

5.2.2 正交试验设计

5.2.3 实验结果及数据分析

5.3 加工参数对磨削力及声发射信号的影响分析

5.3.1 磨削深度对磨削力及声发射信号的影响

5.3.2 工件进给率对磨削力及声发射信号的影响

5.3.3 砂轮转速对磨削力及声发射信号的影响

5.4 小波包技术在砂轮磨损监测中的应用研究

5.4.1 砂轮修整过程在线监测分析

5.4.2 光学玻璃磨削过程在线监测分析

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文及其它成果

致谢

个人简历

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