工程陶瓷超声辅助固着磨料高效研磨机理及试验研究

论文摘要

工程陶瓷零件的精密超精密加工技术越来越被得到重视,不同的精整加工方法被提出和应用。固着磨料高效研磨技术是在离散磨料研磨基础上发展起来的一种精整加工技术,兼具超精密磨削和传统研磨的特点,较好解决了传统的游离磨料研磨效率低、磨料浪费严重、研磨质量不易控制等缺点,并且克服了传统超精密磨削中对环境和机床依赖性大等不足。同时考虑到超声振动加工方法在加工硬脆材料方面独特的优越性,本文提出了采用固着磨料对工程陶瓷进行超声辅助研磨这一课题,将特种加工与普通超精密加工技术相结合,高效获得工程陶瓷材料高精密超光滑加工表面。本课题在河南省杰出人才创新基金和河南省自然科学基金的资助下,选择常见的Al2O3、ZrO2工程陶瓷和目前陶瓷界研究热点之一的ZTA复相陶瓷作为研究对象,对工程陶瓷的超声辅助固着磨料高效研磨机理及其表面加工质量进行了系统的理论和试验研究。研究内容主要包括:1.针对工程陶瓷精密外圆类零件的高效精密加工要求,提出超声辅助固着磨料高效研磨技术,并研制出相应的加工装置。采用有限元方法结合振动特性试验对超声研磨装置声学系统振动特性进行分析,获得在发生器频率可调范围内的系统固有频率和振型及研具内外两条金刚石丸片路径的振动幅值分布特性,研究结果为超声辅助固着磨料高效研磨机理及相关试验的研究提供有力的保证。2.通过对圆柱面超声辅助固着磨料研磨磨粒运动特性进行分析,建立了无附加超声、附加轴向、径向和切向超声振动四种模式下的单颗磨粒运动模型。基于压痕断裂力学,结合单点金刚石超声辅助单摆刻划试验,对三种超声辅助方式下的工件材料去除机理进行研究,分析了辅助超声能够增大延性加工范围的原因。基于冲量理论和振动加工理论,对附加超声振动的磨粒受力进行分析,建立了在延性域和脆性域的材料去除率理论模型,并定性讨论了影响工程陶瓷研磨去除率的因素及规律。3.试验研究了研磨参数对材料延性去除与脆性断裂比例的影响规律及研磨过程平均研磨分力比与材料脆延去除特性之间的关系。通过对ZTA陶瓷超声辅助单点金刚石单摆刻划过程的声发射信号进行时频分析,结合划痕CCI图像,获得材料脆延去除特征频率范围。构建工程陶瓷超声辅助研磨材料脆延去除特性在线监测系统,通过小波包分析,建立了基于小波包分解频带能量的材料脆延去除特性在线监测判据。4.从表面形貌、表面粗糙度、表面分形特性、表面残余应力特性以及表面物相结构的变化等五方面,对ZrO2、Al2O3和ZTA三种工程陶瓷材料超声辅助固着磨料研磨表面质量进行研究,获得不同加工方式和参数对研磨表面质量的影响规律,研究结果表明超声振动的附加在一定程度上改善了表面加工质量。5.结合生产实践要求,基于响应曲面法(RSM)建立了工程陶瓷超声辅助研磨加工材料去除率和表面粗糙度的预测模型;综合处理高效与精密的关系,以最大材料去除率为目标变量,以表面粗糙度为约束变量,同时考虑机床和工件的实际约束条件,建立了超声研磨参数优化数学模型,应用遗传算法(GA)对超声辅助研磨参数进行了寻优并进行了工程实例验证。课题研究结果有助于揭示工程陶瓷超声辅助高效精密加工机理,完善和发展工程陶瓷固着磨料研磨加工新技术,寻求高效精密延性域研磨加工新工艺,进一步推动工程陶瓷的工程实际应用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 论文中主要符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 课题来源及意义
• 1.2 工程陶瓷的发展与研究现状
• 1.3 工程陶瓷精密加工技术的研究现状
• 1.3.1 工程陶瓷加工方法及发展
• 1.3.2 工程陶瓷精密加工机理的研究状况
• 1.3.3 固着磨料研磨加工技术的研究现状
• 1.4 硬脆材料超声辅助加工技术研究现状
• 1.5 本文主要研究内容及结构框架
• 第二章 超声辅助高效研磨装置的研制及其振动特性
• 2.1 超声辅助高效研磨装置的设计原则
• 2.2 超声辅助高效研磨装置研制
• 2.2.1 声学系统及系列研具研制
• 2.2.2 研磨压力微调装置
• 2.2.3 研磨丸片的选择
• 2.2.4 研磨装置整体结构
• 2.3 超声辅助高效研磨装置的振动特性分析
• 2.3.1 有限元模型的建立
• 2.3.2 声学系统模态分析
• 2.3.3 超声激励下研磨丸片的振动特性
• 2.4 超声振动声学系统的振动特性试验
• 2.4.1 试验条件与方法
• 2.4.2 试验结果分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 工程陶瓷超声辅助高效研磨机理
• 3.1 引言
• 3.2 圆柱面精密研磨磨粒加工模型
• 3.3 圆柱面超声辅助高效研磨磨粒运动特性
• 3.3.1 单颗磨粒运动模型
• 3.3.2 单颗磨粒运动方程及轨迹仿真
• 3.3.3 超声辅助研磨单颗磨粒研磨速度分析
• 3.3.4 超声辅助研磨单颗磨粒空切削现象及其临界条件
• 3.4 工程陶瓷超声辅助高效研磨材料去除机理
• 3.4.1 基于压痕断裂力学的工程陶瓷去除机理
• 3.4.2 固着磨料研磨材料去除机理
• 3.4.3 辅助超声振动对材料去除机理的影响
• 3.5 工程陶瓷超声辅助高效研磨材料去除率特性
• 3.5.1 引言
• 3.5.2 单颗磨粒材料去除率理论模型
• 3.5.3 材料去除率影响因素分析
• 3.5.4 工程陶瓷超声辅助高效研磨材料去除率的试验研究
• 3.6 本章小结
• 第四章 工程陶瓷超声辅助研磨材料脆延去除特性在线监测
• 4.1 引言
• 4.2 工程陶瓷超声辅助研磨材料脆延去除特性
• 4.2.1 工程陶瓷的半延性域材料去除
• 4.2.2 研磨参数对材料脆延去除特性的影响
• 4.2.3 超声辅助研磨的研磨力及其分力比特性
• 4.3 超声辅助单点金刚石单摆刻划过程声发射信号分析
• 4.3.1 试验条件与方法
• 4.3.2 试验结果分析
• 4.4 基于声发射的超声辅助研磨材料去除特性在线监测
• 4.4.1 基于声发射信号小波包分解频带能量的材料脆延去除特性判据
• 4.4.2 超声辅助研磨材料脆延去除特性在线监测系统的构建及应用实例
• 4.5 本章小结
• 第五章 工程陶瓷超声辅助研磨表面加工质量的试验研究
• 5.1 引言
• 5.2 工程陶瓷超声辅助研磨表面微观形貌特征
• 5.2.1 试验条件及试验方法
• 5.2.2 试验结果分析
• 5.2.3 试验结论
• 5.3 工程陶瓷超声辅助研磨表面粗糙度特性的试验研究
• 5.3.1 试验条件与方法
• 5.3.2 试验结果与分析
• 5.3.3 试验结论
• 5.4 工程陶瓷超声辅助研磨表面微观形貌的分形特性
• 5.4.1 工程陶瓷超声辅助研磨表面分形的物理意义
• 5.4.2 分形理论
• 5.4.3 试验方案
• 5.4.4 试验结果分析
• 5.4.5 试验结论
• 5.5 工程陶瓷超声辅助研磨表面残余应力特性
• 5.5.1 试验条件与方法
• 5.5.2 试验结果与分析
• 5.5.3 试验结论
• 5.6 工程陶瓷超声辅助研磨表面物相结构分析
• 5.7 本章小结
• 第六章 工程陶瓷超声辅助研磨效果预测及加工参数优化
• 6.1 引言
• 6.2 基于RSM的超声辅助研磨表面粗糙度和材料去除率预测模型
• 6.2.1 试验条件及试验设计
• 6.2.2 响应曲面预测模型
• 6.2.3 响应曲面分析
• 6.3 基于遗传算法（GA）的工程陶瓷超声辅助研磨参数优化
• 6.3.1 超声辅助研磨参数优化模型
• 6.3.2 超声辅助研磨参数优化结果
• 6.4 试验验证及工程应用
• 6.5 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 主要结论和所做的主要工作
• 7.2 主要创新点
• 7.3 下一步研究工作的重点
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 攻读博士学位期间完成的相关科研课题
• 研究成果企业应用证明
• 上海交通大学学位论文答辩决议书