数控展成超声磨削陶瓷型面的基础研究

论文摘要

由于陶瓷材料具有优良的机械、物理、化学、热学性能,已成为第三大工程材料。但是,陶瓷材料的高脆性、高硬度使其加工、特别是成形加工,至今仍非常困难,因而阻碍其应用范围的扩大。陶瓷是制造未来航空、航天乃至汽车发动机中的小型整体叶轮的理想材料,为解决陶瓷整体叶轮的加工难题,本文开展了数控展成蠕动进给超声磨削加工陶瓷型面的基础研究,主要研究内容包括:1 )建立了超声磨削在小直径磨轮、大切深、蠕动进给条件下单颗磨粒最大切深（最大未变形切屑厚度）模型;对陶瓷进行蠕动进给机械磨削和蠕动进给超声磨削对比试验,考察了磨削参数对表面粗糙度和实际切深的影响;通过扫描电镜对工件表面形貌进行了分析;试验结果表明:超声振动显著增加了实际切深,同时表面粗糙度值略为增大,但不会引起大的亚表面损伤;材料去除仍以脆性断裂为主,同时伴随塑性流动现象。2 )针对陶瓷平行直纹面超声磨削加工的需要,在原有五轴电解加工机床的基础上,研制了磨轮主轴部件及其驱动控制系统,并添加超声振动系统和分度系统,使之成为数控展成超声磨削成形加工装置,并能够进行超声磨削加工陶瓷整体叶轮叶片型面;研究了基于DOS的实时多任务系统—主轴变频调速软件设计。3 )建立平行、不可展直纹面数学模型,确定超声磨削加工平行、不可展直纹面时磨轮空间轨迹及其算法。根据这一算法,采用VC++与MATLAB混合编程技术开发出四轴联动数控展成超声磨削加工平行、不可展直纹面的自动编程系统。4 )开展数控展成超声磨削加工陶瓷型面基础工艺试验,在块状ZrO2上加工出圆弧槽,在块状Al2O3上加工出平行、不可展直纹面;两种材料上的两种型面表面完整,无宏观裂纹和凹坑。还分析了影响叶片型面加工精度的主要因素,并探讨减小加工误差的措施。可行性试验表明:数控展成蠕动进给超声磨削加工陶瓷整体叶轮叶片型面是可行的,有进一步研究的必要,并提出进一步研究的方向。

论文目录

• 第一章 绪论
• 1.1 工程陶瓷简介
• 1.1.1 工程陶瓷概念
• 1.1.2 工程陶瓷材料结构
• 1.1.3 工程陶瓷性能与应用领域
• 1.2 工程陶瓷加工技术现状
• 1.2.1 工程陶瓷机械磨削
• 1.2.2 工程陶瓷在线电解修整砂轮（ELID）磨削
• 1.2.3 工程陶瓷激光铣削
• 1.2.4 工程陶瓷加热辅助切削
• 1.2.5 工程陶瓷电火花加工
• 1.2.6 工程陶瓷超声加工
• 1.3 超声复合加工技术
• 1.3.1 超声车削
• 1.3.2 超声钻削
• 1.3.3 超声铣削
• 1.3.4 超声珩磨、研磨
• 1.3.5 超声磨削
• 1.4 课题研究的依据和论文主要研究内容
• 1.4.1 立题依据
• 1.4.2 论文主要研究内容
• 第二章 工程陶瓷超声磨削的加工机理
• 2.1 单颗磨粒最大切深模型
• 2.1.1 机械磨削时单颗磨粒最大切深模型
• 2.1.2 超声磨削时单颗磨粒最大切深模型
• 2.2 工件超声振动力学分析（已知工件振幅）
• 2.3 陶瓷材料的磨削去除机理分析
• 2.3.1 压痕产生
• 2.3.2 裂纹产生与扩展
• 2.3.3 单颗磨粒最大切深模型对陶瓷材料去除方式的影响
• 2.4 第一阶段试验—氧化锆磨削试验
• 2.4.1 试验条件及试验方法
• 2.4.2 试验结果
• 2.4.3 试验结果分析
• 2.4.4 氧化锆型面磨削试验
• 2.5 第二阶段试验—氧化铝磨削试验
• 2.5.1 试验条件及试验方法
• 2.5.2 试验结果
• 2.5.3 陶瓷工件磨削表面扫描电镜（SEM）分析
• 2.5.4 氧化铝磨削试验结果分析
• 2.6 本章小结
• 第三章 数控展成超声磨削机床附件设计﹑制造
• 3.1 超声振动系统介绍
• 3.1.1 超声电源简介
• 3.1.2 压电换能器简介
• 3.1.3 变幅杆简介
• 3.1.4 超声振动系统在机床上定位﹑夹紧
• 3.1.4.1 变幅杆﹑换能器在机床上定位﹑夹紧
• 3.1.4.2 工件装夹
• 3.1.4.3 工件与变幅杆之间加耦合液的必要性
• 3.2 磨轮主轴附件设计﹑制造
• 3.2.1 磨轮主轴及其驱动系统应具有的功能
• 3.2.2 磨轮主轴驱动系统方案
• 3.2.3 电机和主轴支架安装
• 3.3 磨轮主轴变频调速控制系统硬件设计
• 3.3.1 磨轮主轴变频调速控制系统硬件结构
• 3.3.2 控制系统硬件选择
• 3.3.3 转速测量
• 3.4 磨轮主轴变频调速控制系统软件设计
• 3.4.1 操作系统和开发软件的选择
• 3.4.2 软件任务划分
• 3.4.3 多任务的实现
• 3.4.4 变频调速系统软件结构模式
• 3.4.5 数字PID 控制器设计
• 3.4.6 软件运行时间分析
• 3.5 经济型多轴数控系统简介
• 3.6 五轴联动数控展成超声磨削机床使用效果
• 3.7 本章小结
• 第四章 数控展成超声磨削整体叶轮型面自动编程系统研制
• 4.1 构造叶轮叶片型面数学模型
• 4.1.1 构造导线
• 4.1.2 构造直母线
• 4.1.3 叶片型面可展性分析
• 4.2 平行﹑不可展直纹面数控展成超声磨削加工的刀位计算
• 4.2.1 初步确定刀位
• 4.2.2 原理性加工误差
• 4.2.3 调整磨轮刀位以减小原理性误差
• 4.2.4 超声振动影响
• 4.3 平行直纹面数控展成超声磨削加工的后置处理
• 4.4 基于VC++与MATLAB 混合编程的数控加工自动编程系统
• 4.4.1 VC++与MATLAB 简介
• 4.4.2 VC++与MATLAB 混合编程方式选择
• 4.4.3 MATLAB引擎简介
• 4.4.4 VC++与MATLAB 之间数据交换
• 4.4.5 VC++编译环境设置
• 4.4.6 用户界面设计
• 4.4.7 NC 文件生成
• 4.4.8 自动编程系统运行时间测定
• 4.5 本章小结
• 第五章 数控展成蠕动进给超声磨削陶瓷整体叶轮型面工艺试验及误差分析
• 5.1 数控展成超声磨削陶瓷整体叶轮型面工艺试验
• 5.1.1 试验目的
• 5.1.2 试验条件及加工参数
• 5.1.3 试验过程
• 5.1.4 试验结果
• 5.2 数控展成超声磨削叶轮型面误差分析
• 5.2.1 曲面插补误差
• 5.2.2 对刀误差对加工精度的影响
• 5.2.3 刀位计算误差
• 5.2.4 超声振动振幅变化产生的误差
• 5.2.5 机床反向间隙引起的误差
• 5.2.6 多轴联动不同步误差
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 论文总结
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文
• 致谢