硬脆材料氮化硅陶瓷的ELID超精密磨削技术研究

论文题目: 硬脆材料氮化硅陶瓷的ELID超精密磨削技术研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 机械制造及其自动化

作者: 金卫东

导师: 王太勇,任成祖

关键词: 氮化硅,金属结合剂金刚石砂轮,电火花整形,在线电解修整,钝化膜状态,主动控制策略,实时监测

文献来源: 天津大学

发表年度: 2005

论文摘要: 本文分析了电火花整形和ELID磨削的技术现状,进行了铸铁结合剂金刚石微粉砂轮的电火花精密整形和钝化膜状态主动控制条件下的氮化硅陶瓷ELID精密、超精密磨削实验研究。研究成果对工程陶瓷、光学玻璃、硬质合金等硬脆材料的ELID超精密、镜面磨削具有指导意义。论文以MM7120平面磨床为对象设计制造了ELID磨削附加装置并完成了ELID超精密平面磨削系统的配置。自行开发了实时数据采集、分析系统用于监测电火花整形过程和ELID磨削过程的电压、电流和磨削力等特征信号,为实现金属结合剂微粉砂轮的精密整形和揭示氮化硅陶瓷ELID磨削过程中的磨削现象、磨削特征提供了技术手段上的保障。在金属结合剂金刚石微粉砂轮电火花精密整形过程中,工作电压和工作电流的在线监测不仅使得获取有效电规准和判别电规准是否具有整形能力变得非常简便,而且可以及时发现空载与短路的发生,有助于提高整形效率与整形精度。避免短路和使用高绝缘性的工作液是提高整形精度的关键。本文在以去离子水作为工作液,采用平面电极,电规准为60V、20μs : 20μs的条件下获得了砂轮径向跳动小于1μm的整形精度,为进一步的氮化硅陶瓷ELID精密、超精密磨削实验研究提供了较理想的工具技术。建立了ELID磨削系统的电解反应回路等效模型,提出用极间电流表征金属结合剂砂轮表面的钝化膜状态。在分析ELID动态平衡磨削机理的基础上,提出了钝化膜状态主动控制概念及间歇电解和间歇磨削控制策略。作者成功地对钝化膜状态进行了有效控制,并进行了钝化膜状态主动控制条件下的氮化硅陶瓷ELID精密、超精密磨削实验研究。受硬件条件限制极间电流的控制范围设定较宽,导致钝化膜状态在控制循环中变化较大。实验中钝化膜状态主动控制条件下ELID磨削的磨削力波动幅度明显大于动态平衡条件下ELID磨削,但两种条件下磨削力的波动下限相当;钝化膜状态主动控制条件下ELID磨削的氮化硅工件的表面粗糙度略大于动态平衡条件下ELID磨削的氮化硅工件的表面粗糙度,但两者并没有本质的区别。ELID超精密磨削的材料去除是以微量磨削与研磨抛光相结合的复合方式进行的,钝化膜状态决定着材料的主要去除方式及不同去除方式之间的比例。选择合理的磨粒尺寸,匀化砂轮组织,对砂轮进行精细的整形和动平衡,严格控制机床的热变形对ELID超精密磨削极为重要。

论文目录:

第一章 绪论

1.1 精密与超精密加工技术

1.1.1 超精密加工技术的研究领域

1.1.2 超精密加工技术的研究内容

1.1.3 超精密镜面磨削技术

1.2 硬脆材料超精密磨削技术的发展

1.2.1 硬脆材料的超精密磨削

1.2.2 超硬磨料砂轮与金属结合剂

1.3 ELID 磨削技术及其发展概况

1.3.1 ELID 磨削原理

1.3.2 ELID 磨削技术的典型应用与性能特点

1.3.3 ELID 磨削技术的发展概况

1.4 本文的研究背景及主要研究内容

第二章 ELID 磨削试验装置研制与实时监测系统开发

2.1 ELID 供液方式的确定与修整电极的研制

2.2 ELID 磨削用砂轮磨料及其结合剂的选择

2.3 ELID 磨削用电解液

2.4 ELID 磨削用脉冲电源

2.5 基于实时监控的 ELID 磨削数据采集系统

2.6 本章小结

第三章 金属结合剂金刚石砂轮的电火花精密整形技术

3.1 超硬磨料金属结合剂砂轮的整形方法

3.1.1 机械整形法

3.1.2 超声振动修整技术

3.1.3 激光修整技术

3.1.4 电加工修整技术

3.2 金属结合剂金刚石微粉砂轮电火花精密整形研究

3.2.1 电火花整形装置与实验条件

3.2.2 电火花整形机理

3.2.3 放电加工电规准的分析与选择

3.2.4 电火花整形实验过程及分析

3.2.5 砂轮电火花整形效率与整形精度

3.3 电火花整形技术讨论

3.3.1 电极形状的选择

3.3.2 液体介质的绝缘性能

3.3.3 极性效应的分析

3.3.4 放电间歇的控制及短路避免

3.4 本章小结

第四章 钝化膜状态主动控制下的氮化硅 ELID 磨削实验

4.1 超硬磨料金属结合剂砂轮的修锐方法

4.2 在线电解修锐磨削技术(ELID)的典型磨削过程

4.3 ELID 动态磨削过程的钝化膜状态主动控制策略

4.3.1 钝化膜的作用

4.3.2 钝化膜状态的影响因素

4.3.3 钝化膜的状态表征

4.3.4 钝化膜状态主动控制策略

4.4 实验系统与条件

4.5 W10 金刚石砂轮的氮化硅 ELID 磨削实验

4.5.1 W10 砂轮电解预修锐

4.5.2 自适应动态平衡磨削实验

4.5.3 间歇在线电解控制策略磨削实验

4.5.4 间歇磨削控制策略实验

4.5.5 W10 砂轮 ELID 磨削实验结果分析

4.6 W3.5 金刚石砂轮的氮化硅 ELID 磨削实验

4.6.1 W3.5 砂轮电解预修锐

4.6.2 氮化硅 ELID 磨削实验

4.6.3 W3.5 砂轮ELID 磨削实验结果分析

4.7 本章小结

第五章 氮化硅陶瓷 ELID 精密磨削的材料去除机理及其磨削过程的影响因素

5.1 氮化硅 ELID 磨削过程中的现象

5.1.1 铸铁基金刚石砂轮的电解反应

5.1.2 铸铁基金刚石砂轮的阳极钝化与径增现象

5.1.3 氮化硅工件 ELID 磨削的磨削力特征

5.1.4 氮化硅工件 ELID 磨削中的极间电压与极间电流

5.2 氮化硅工件的材料去除与表面创成机理

5.2.1 单个磨粒切入模型与超精密磨削机理

5.2.2 陶瓷材料的磨削机理

5.2.2.1 压痕断裂力学磨削模型

5.2.2.2 切削模型近似

5.2.2.3 延性磨削与塑性累积损伤模型

5.2.3 氮化硅陶瓷 ELID 磨削材料去除与表面创成机理

5.3 氮化硅陶瓷磨削过程的影响因素

5.3.1 磨具特性对表面质量的影响

5.3.1.1 磨料粒度的选择

5.3.1.2 磨具组织的均匀性要求

5.3.2 砂轮不平衡量的影响

5.3.2.1 砂轮不平衡的理论分析

5.3.2.2 平面磨床砂轮的单面平衡

5.3.3 机床热变形对材料去除率的影响

5.4 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 本文的主要结论及创新成果

6.2 研究展望

参考文献

发表的论文

致谢

发布时间: 2006-05-24

参考文献

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