纳米结构陶瓷涂层精密磨削机理及仿真预报技术的研究

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导师姓名
孙宗禹
学科专业
机械制造及其自动化
文献出处
湖南大学   2004年
关键词
纳米结构陶瓷涂层论文  精密磨削机理论文  实验研究论文  可磨削性论文  材料去除机理论文  磨削裂纹预报模型论文  单颗磨粒磨削力论文  计算机仿真预报论文
论文摘要

本文对近些年来新出现的纳米结构(nanostructured)和普通结构(conventional)陶瓷涂层(n/c-WC/Co和n/c-Al2O3/TriO2)的精密磨削的磨削机理及磨削工艺仿真预报技术进行了研究。通过实验研究、理论建模和分析,揭示了纳米结构陶瓷涂层精密磨削机理,初步构建了纳米结构陶瓷涂层精密磨削的基础理论,结合磨削工艺仿真预报软件的开发应用,寻求以最优化的磨削工艺参数来实现纳米结构陶瓷涂层的高效经济、优质、低损伤精密加工。其研究成果对纳米结构陶瓷涂层工业化应用和陶瓷材料精密磨削理论的完善以及我国特种材料精密加工技术水平的提高具有重要的理论价值和实用价值。 论文首先在文献综述的基础上对纳米结构陶瓷涂层精密磨削的基础理论进行了初步的分析,提出了构建纳米结构陶瓷涂层精密磨削基础理论的研究思路。论文对纳米结构陶瓷涂层精密磨削实验研究方案进行了详细的介绍。 论文对磨削用量、砂轮特性、材料特性及涂层显微结构等磨削参数对磨削纳米结构陶瓷涂层时的磨削力、磨削力分力比、比磨削能、磨削表面粗糙度、磨削表面/亚表面损伤(裂纹)及材料去除机理等可磨削性指标的影响规律进行了实验研究。以砂轮单颗磨粒法向磨削力的实验结果及所建立的理论模型为重要依据和线索,进行相关磨削现象的分析;磨削力理论模型综合考虑了砂轮磨削深度、工件进给速度和砂轮速度等磨削用量参数,考虑了材料初始切入力和工件材料的特性。通过研究,基于磨削力随磨削用量参数变化的分阶段特征,分段建立了纳米结构陶瓷涂层精密磨削的单颗磨粒法向磨削力模型。研究表明:纳米结构陶瓷涂层精密磨削所产生的磨削力和比磨削能比普通结构陶瓷涂层的要大;砂轮磨粒尺寸参数、砂轮粘结剂/磨屑厂工件涂层表面间滑擦作用和热喷涂工艺固有缺陷等因素对陶瓷涂层精密磨削的可磨削性指标有较大影响;精密磨削工艺能大大提高陶瓷涂层的轮廓支承率(承载比);磨削纳米结构陶瓷涂层时,存在一个获得较小磨削表面粗糙度Rα值的砂轮磨削深度范围。 论文分析总结了陶瓷磨削时材料去除机理的三种分类方式,基于纳米结构陶瓷涂层可磨削性规律的实验结果结合磨削后表面/亚表面的SEM等形貌观测,以非弹性变形去除方式和脆性去除方式充分揭示了纳米结构陶瓷涂层磨削时的材料去除机理。 论文对纳米结构陶瓷涂层磨削过程的材料变形行为和裂纹系统进行了理论分析。在实验研究的基础上,建立了磨削纳米结构陶瓷涂层时产生横向裂纹和中位裂纹的临界磨削条件模型,以及反映磨削参数与纳米结构陶瓷涂层磨削后亚表面平均损伤(裂纹)深度之间定量关系的磨削模型。研究表明,产生中位裂纹所需纳米结构陶瓷涂层精密磨削机理及仿真预报技术的研究的临界载荷比产生横向裂纹所需的临界载荷要小得多。磨削时亚表面裂纹的形成及扩展与单颗磨粒法向磨削力有直接关系,还与磨削过程中所消耗能量及热喷涂工艺的固有缺陷有关。论文就材料晶粒尺寸对陶瓷涂层精密磨削可磨削性的影响规律进行了研究。 最后,论文介绍了所研制的磨削工艺仿真预报软件的开发思路、关键技术和软件的体系结构,基于本文通过实验所建立的单颗磨粒磨削力模型和磨削裂纹预报模型,给出了该软件在纳米结构陶瓷涂层精密磨削工艺仿真预报中的应用实例。

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摘要

Abstract

第1章 绪言

1.1 论文的研究背景

1.1.1 纳米结构喷涂陶瓷材料重组新工艺

1.1.2 纳米结构陶瓷涂层精密磨削机理及仿真预报技术的研究

1.2 论文的研究内容、目的和意义

1.3 课题来源和论文组成

1.3.1 课题来源

1.3.2 论文组成

第2章 纳米结构陶瓷涂层精密磨削的基础理论

2.1 纳米结构陶瓷涂层材料及WC/Co块体材料的特性

2.1.1 普通结构陶瓷涂层材料特性

2.1.2 纳米结构陶瓷涂层材料特性

2.1.3 普通结构和纳米结构WC/Co块体材料的特性

2.2 纳米结构陶瓷涂层磨削时材料去除机理的基础理论

2.2.1 工程陶瓷材料的特性

2.2.2 “压痕断裂力学”模型和“切削加工”模型

2.2.3 工程陶瓷磨削的材料去除机理

2.2.4 纳米结构陶瓷涂层磨削时材料去除机理的初步分析

2.3 纳米结构陶瓷涂层磨削表面/亚表面损伤的基础理论

2.3.1 工程陶瓷磨削表面/亚表面裂纹

2.3.2 磨削亚表面损伤评测

2.3.3 纳米结构陶瓷涂层磨削的表面/亚表面裂纹的初步分析

2.3.4 磨削表面残余应力和抗弯(断裂)强度

2.3.5 磨削参数与磨削后表面/亚表面损伤之间的定量关系

2.3.6 对纳米结构陶瓷涂层精密磨削表面/亚表面裂纹预报模型的思考

2.4 纳米结构陶瓷涂层磨削力、磨削表面粗糙度的基础理论

2.4.1 工程陶瓷磨削力、磨削力分力比及比磨削能的研究

2.4.2 工程陶瓷磨削表面粗糙度的研究

2.4.3 工程陶瓷磨削温度及砂轮磨损机理的研究

2.4.4 WC/Co等块材磨削机理的研究

2.4.5 陶瓷涂层材料磨削的磨削机理

2.4.6 纳米结构陶瓷涂层的磨削力、磨削表面粗糙度等基础理论

2.5 纳米结构陶瓷涂层磨削工艺仿真预报的基础及思路

2.6 本章小结

第3章 纳米结构陶瓷涂层精密磨削实验研究方案

3.1 纳米结构及普通结构陶瓷涂层材料

3.2 精密数控平面磨床

3.3 金刚石砂轮及其修整

3.4 磨削工艺实验方案

3.5 磨削力和磨削表面粗糙度的测量

3.5.1 磨削力的测量

3.5.2 磨削表面粗糙度的测量

3.6 磨削表面/亚表面形貌观测和分析

3.7 本章小结

第4章 纳米结构陶瓷涂层精密磨削的磨削力研究

4.1 纳米结构和普通结构陶瓷涂层磨削力的实验研究

4.1.1 n/c-WC/Co、n/c-Al_2O_3/TiO_2涂层的磨削力实验结果

4.1.2 磨削参数对磨削力的影响规律

4.2 纳米结构和普通结构陶瓷涂层磨削的磨削力建模

4.2.1 n/c-WC/Co、n/c-Al_2O_3/TiO_2涂层磨削力数学模型分析

4.2.2 纳米结构和普通结构陶瓷涂层磨削力数学模型建立及实验验证

4.3 纳米结构和普通结构陶瓷涂层磨削力分力比和比磨削能的研究

4.3.1 n/c-WC/Co、n/c-Al_2O_3/TiO_2陶瓷涂层磨削的磨削力分力比

4.3.2 n/c-WC/Co、n/c-Al_2O_3/TiO_2陶瓷涂层磨削的比磨削能

4.4 本章小结

第5章 纳米结构陶瓷涂层精密磨削表面租糙度和材料去除机理的研究

5.1 纳米结构陶瓷涂层磨削表面粗糙度的实验研究

5.1.1 n/c-WC/12Co和n/c-Al_2O_3/13TiO_2磨削表面粗糙度实验结果

5.1.2 n/c-WC/12Co磨削表面粗糙度实验结果分析

5.1.3 n/c-Al_2O_3/13TiO_2磨削表面粗糙度实验结果分析

5.1.4 材料特性对磨削表面粗糙度的影响规律分析

5.2 纳米结构陶瓷涂层磨削后表面形貌观察及材料去除机理分析

5.2.1 n/c-WC/12Co涂层磨削后表面形貌分析

5.2.2 n/c-WC/12Co涂层磨削的材料去除机理分析

5.2.3 n/c-Al_2O_3/13TiO_2陶瓷涂层磨削后表面形貌分析

5.2.4 n/c-Al_2O_3/13TiO_2涂层磨削的材料去除机理分析

5.3 本章小结

第6章 纳米结构陶瓷涂层精密磨削表面/亚表面损伤的研究

6.1 纳米结构陶瓷涂层磨削过程的材料变形行为和裂纹系统

6.2 纳米结构陶瓷涂层磨削后表面/亚表面裂纹的实验结果

6.2.1 纳米结构陶瓷涂层磨削的表面裂纹实验结果

6.2.2 纳米结构陶瓷涂层磨削的亚表面裂纹实验典型形貌

6.3 纳米结构陶瓷涂层磨削时产生磨削裂纹临界磨削条件模型及验证

6.3.1 产生横向裂纹的临界磨削条件模型的建立及实验验证

6.3.2 产生中位裂纹的临界磨削条件模型建立及实验验证

6.4 纳米结构陶瓷涂层精密磨削亚表面损伤深度理论建模及实验验证

6.4.1 纳米结构陶瓷涂层精密磨削亚表面损伤深度的理论建模

6.4.2 纳米结构陶瓷涂层精密磨削亚表面损伤模型的实验验证

6.5 纳米结构陶瓷涂层精密磨削参数对亚表面损伤的影响规律

6.5.1 磨削n-WC/12Co涂层

6.5.2 磨削n-Al_2O_3/13TiO_2涂层

6.5.3 材料特性对纳米结构陶瓷涂层磨削亚表面损伤的影响

6.6 本章小结

第7章 纳米结构和普通结构陶瓷涂层精密磨削的可磨削性的比较研究

7.1 磨削力和磨削力分力比及比磨削能的比较研究

7.1.1 磨削力的比较研究

7.1.2 磨削力分力比的比较研究

7.1.3 比磨削能的比较研究

7.2 磨削表面粗糙度和轮廓支承率的比较研究

7.3 磨削表面形貌观测及材料去除机理的比较研究

7.4 磨削表面/亚表面损伤的比较研究

7.5 本章小结

第8章 磨削工艺仿真预报软件开发及其应用实例

8.1 磨削工艺仿真预报软件开发的基本思路

8.2 磨削工艺仿真预报软件的关键技术

8.2.1 软件框架体系

8.2.2 磨削模型和参数的输入及存储管理

8.2.3 专家系统技术

8.2.4 模型表达式识别与计算处理技术

8.2.5 磨削工艺参数优化技术

8.2.6 图形处理

8.2.7 数据的集中管理

8.3 磨削工艺仿真预报软件的体系结构

8.3.1 功能构成

8.3.2 软件总体消息流和数据流

8.4 纳米结构陶瓷涂层精密磨削工艺仿真预报的应用实例

8.5 本章小结

结论

参考文献

致谢

附录A(攻读博士学位期间发表的主要学术论文目录)

附录B(攻读博士学位期间从事主要研究工作目录)

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