基于超声振动—电镀金刚石线锯切割硬脆材料技术及机理研究

论文摘要

随着硬脆材料应用的日益广泛,对其切割加工技术的要求也越来越高。为解决硬脆材料切割加工工艺、特别是稀有贵重硬脆材料切割工艺中的某些技术问题。本文在系统总结了国内外大量文献资料的基础上,通过实验研究与理论分析相结合的方法,利用自行制造的完全具有自主知识产权的超声线切割加工机床进行了加工实验,对超声线切割加工机理与工艺进行了深入研究,丰富和完善了超声波加工技术现有的理论成果,该研究课题具有较大的理论和实际意义。研究分析了机床各部分的作用,建立了机床的总体结构方案。应用声学理论和机械振动理论对换能器、匹配块、变幅杆、导向轮等关键部件进行了系统详细的分析、设计。并对各部分之间的连接方式进行了分析和研究。在研究分析已有的硬脆材料去除机理的基础上,提出了超声波线切割的加工机理,基于压痕断裂理论,建立了材料去除率的理论模型,从模型可以看出材料去除率与线锯往复运动频率、侧向压力、振动频率、振幅、工件材料性能等参数有关。并通过实验进行了验证,证明所建立模型的正确性。实践表明其材料去除率是普通线切割的2.5～4.5倍,其加工表面质量得到了提高和改善。建立了超声波线切割锯切力的理论模型。该模型以分析单个金刚石颗粒的锯切力为基础,综合考虑了锯丝速度、工件进给速度、锯丝参数和工件性质对锯切力的影响。建立了金刚石颗粒和镍镀层受力情况的有限元模型,分析了锯切时的应力状态,并由此分析了金刚石颗粒破碎和脱落的原因。研究认为,锯切过程中,金刚石颗粒以及金刚石颗粒与镍镀层接触部分的应力都很小,一般不会造成金刚石颗粒的破碎和脱落,造成破碎和脱落的主要原因是在锯切时的机械冲击作用以及锯切过程中由于严重摩擦产生的锯切热。超声波线切割和普通线切割相比其平均锯切力小、锯切温度要降低,线锯的使用寿命变长。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 本课题的研究背景
• 1.2 硬脆材料加工方法综述
• 1.2.1 圆盘锯切割
• 1.2.2 带锯切割
• 1.2.3 线锯切割
• 1.3 超声加工技术国内外的发展概况及发展趋势
• 1.3.1 超声加工技术国内外的发展概况
• 1.3.2 超声加工技术的发展趋势
• 1.4 本课题的主要研究内容
• 第2章 电镀金刚石线锯超声波线切割机床结构设计
• 2.1 电镀金刚石线锯超声波线切割机床的总体结构设计
• 2.2 传动系统和数控工作台的设计
• 2.3 切削液循环和过滤系统设计
• 2.4 张力调整装置设计
• 2.5 整机三维模型
• 2.6 本章小结
• 第3章 声学系统各部分设计计算
• 3.1 超声换能器的设计
• 3.1.1 换能器概述
• 3.1.2 压电换能材料
• 3.1.3 夹心式压电换能器的工程设计原理
• 3.1.4 夹心式压电换能器的设计计算
• 3.2 超声变幅杆的设计
• 3.2.1 变幅杆概述
• 3.2.2 变幅杆的工程设计原理
• 3.2.3 变幅杆的设计计算
• 3.3 变幅杆的模态分析
• 3.3.1 基本原理
• 3.3.2 变幅杆的模态分析过程及其结果
• 3.4 导向轮的设计
• 3.4.1 模型的建立和理论计算
• 3.4.2 导向轮的设计计算
• 3.5 各部分之间的连接
• 3.6 本章小结
• 第4章 超声线切割加工机理及材料去除率理论分析
• 4.1 硬脆材料去除机理
• 4.1.1 硬脆材料的锯切过程
• 4.1.2 硬脆材料的压痕断裂力学
• 4.2 超声作用下材料的加工机理与去除率模型
• 4.2.1 超声加工机理
• 4.2.2 超声加工材料去除率模型
• 4.3 超声线切割的加工机理与材料去除率模型
• 4.3.1 超声线切割加工机理
• 4.3.2 超声线切割加工的材料去除率模型
• 4.4 材料去除率的实验研究
• 4.4.1 线锯的往复运动频率对材料去除率的影响
• 4.4.2 侧向压力对材料去除率的影响
• 4.4.3 材料硬度对材料去除率的影响
• 4.5 本章小结
• 第5章 锯切力的理论分析及金刚石颗粒与镍镀层受力的有限元分析
• 5.1 金刚石线锯锯切力数学模型的建立
• 5.1.1 锯切力的数学模型
• 5.1.2 单个金刚石颗粒所受的锯切力
• 5.1.3 金刚石线锯总的锯切力
• 5.2 金刚石颗粒及镍镀层受力状态的有限元分析
• 5.2.1 金刚石颗粒及镍镀层受力状态有限元模型的建立
• 5.2.2 计算参数及载荷施加
• 5.2.3 计算结果与分析
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和获得的科研成果
• 致谢
• 详细摘要