金刚石线锯超声复合锯切硬脆材料的实验研究

论文摘要

硬脆材料广泛运用于能源、信息、制造和建筑装饰等领域,但硬脆材料在机械加工过程中凸现出来的加工效率低、表面完整性差、刀具磨损快、加工成本高等制造难题严重制约着硬脆材料在现代工业中更广泛的应用。使用往复式电镀金刚石线锯超声复合锯切这一新的工艺方法对玻璃、氧化锆陶瓷等典型硬脆材料进行切割加工,对其进行了运动学和动力学等基础理论分析,并以实验为依据,分析了线锯往复频率、侧向压力、磨料粒度等工艺参数对加工的锯切力和表面粗糙度的影响规律。对普通锯切和超声锯切两种加工方法进行了对比,切割玻璃的实验结果表明:同等条件下,超声锯切比普通锯切的切向锯切力降低20%～30%,法向锯切力在工件侧向压力较小(小于5N)时降低,在侧向压力较大(5N或5N以上)时有增加趋势;当线锯往复频率为150rpm,侧向压力为2N,磨料粒度为280#时,加工得到的表面质量最佳,其表面粗糙度值可达Ra=0.3～0.4μm,与相同条件下的普通锯切表面粗糙度值Ra=0.8～1.0μm相比,超声锯切优于普通锯切1～2级。以实验数据为基础,利用MATLAB中的人工神经网络(ANN)工具箱,选用BP网络对材料加工表面粗糙度进行了建模和预测,该模型的最大拟合误差和预测误差分别为7.32%和11.7%,具有较好的拟合和预测精度。在充分考虑硬脆材料内部存在微裂纹的前提下,利用ANSYS软件对氧化锆陶瓷进行了塑性域锯切的断裂力学有限元分析。理论分析表明普通锯切加工的材料去除形式主要表现为脆性去除,而超声振动复合锯切材料去除形式则主要表现为塑性去除。本实验条件下,在其它加工工艺参数相同时,对比有无施加超声作用的工件表面形貌的差异,观察到施加超声振动的锯切加工表面没有明显的切割条纹,是一种云雾状表面,明显优于普通锯切的表面质量,实验结果与理论分析体现出一定的一致性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题背景、目的及意义
• 1.2 硬脆材料切割方法综述
• 1.2.1 圆盘锯切割
• 1.2.2 带锯切割
• 1.2.3 线锯切割
• 1.3 电镀金刚石线锯切割技术
• 1.3.1 单向运动式电镀金刚石线锯切割技术
• 1.3.2 往复运动式电镀金刚石线锯切割技术
• 1.4 超声振动加工技术的发展概述
• 1.5 本课题研究的主要内容
• 第2章 线锯超声复合锯切的基础理论研究
• 2.1 线锯的运动学分析
• 2.1.1 线锯超声振动锯切加工原理
• 2.1.2 金刚石线锯运动方程
• 2.1.3 单颗金刚石磨粒的运动特征
• 2.2 线锯的动力学分析
• 2.2.1 线锯振动微分方程
• 2.2.2 频率响应函数
• 2.2.3 振动特性分析
• 2.3 超声振动复合锯切的特点
• 2.3.1 超声振动复合锯切的微分化效果
• 2.3.2 超声振动复合锯切的空化效果
• 2.4 本章小结
• 第3章 线锯超声复合锯切力的实验研究
• 3.1 实验设备工作原理
• 3.2 实验仪器设备主要参数
• 3.3 锯切力的实验研究
• 3.3.1 锯切力的测量方法
• 3.3.2 线锯往复运动频率对锯切力的影响
• 3.3.3 侧向压力对锯切力的影响
• 3.3.4 超声作用对锯切力的影响
• 3.4 本章小结
• 第4章 加工表面粗糙度的实验研究
• 4.1 人工神经网络（ANN）简介
• 4.2 BP 神经网络的MATLAB 实现
• 4.3 表面粗糙度BP 模型建立及预测
• 4.3.1 网络结构的选取
• 4.3.2 BP 网络算法的基本流程
• 4.3.3 神经网络的学习与预测
• 4.4 实验及预测结果分析与讨论
• 4.4.1 线锯往复频率对表面粗糙度的影响
• 4.4.2 侧向压力对表面粗糙度的影响
• 4.4.3 磨料粒度对表面粗糙度的影响
• 4.5 本章小结
• 第5章 硬脆材料超声锯切去除机理研究
• 5.1 硬脆材料去除机理的研究综述
• 5.2 金刚石线锯锯切硬脆材料的去除机理
• 5.2.1 锯切过程中氧化锆陶瓷产生塑性变形的临界条件
• 5.2.2 普通锯切氧化锆陶瓷的材料去除形式
• 5.2.3 超声锯切氧化锆陶瓷去除机理的有限元分析
• 5.3 实验结果验证和分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢
• 详细摘要