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晶体材料的微磨削机理若干研究

晶体材料的微磨削机理若干研究

作者：吴晓芳沈阳理工大学

学位级别：硕士

随着晶体材料的广泛应用以及微机械制造技术的迅速发展,晶体材料的微机械加工方法比传统加工方法在各方面都表现出了更多的优势。在微机械制造领域内,鉴于微磨削加工能获得纳米级的表面粗糙度,因此越来越受到人们的重视。本文在综合分... 详细信息

随着晶体材料的广泛应用以及微机械制造技术的迅速发展,晶体材料的微机械加工方法比传统加工方法在各方面都表现出了更多的优势。在微机械制造领域内,鉴于微磨削加工能获得纳米级的表面粗糙度,因此越来越受到人们的重视。本文在综合分析国内外微磨削领域研究现状的基础上,采用微磨削方法对晶体材料进行了加工试验,并对其微磨削过程中的若干机理进行了研究,这对晶体材料微磨削技术的发展具有一定的理论和现实意义。本文首先对微机械制造技术及晶体材料的微机械加工方法进行了简单的概述,并从刀具设备和加工机理两方面对微磨削领域的国内外研究现状进行了深入的分析和探讨,总结得出对微磨削领域进一步研究的必要性。其次在了解国内外微磨削机理的前提下,对晶体材料微磨削加工过程中脆塑转变的临界条件进行了动态分析,结合未变形切屑厚度均匀分布的假设得出了平均未变形切屑厚度的计算公式,并且引入弹性恢复高度的影响更新了微磨削力的数学模型。然后着重对光学玻璃和单模光纤这两种典型的晶体材料进行了微磨削加工的试验研究。针对光学玻璃的微磨削试验,建立了用质量表示的材料去除率模型,并通过试验结果进行了对比验证,观察了光学玻璃微磨削加工后的表面形貌,探讨了磨削参数对材料去除率和表面粗糙度的影响规律。对于单模光纤的微磨削试验,加工出了40°、45°的斜面光纤透镜和60°、100°的锥面光纤透镜,通过试验结果结合力学理论分析了悬伸长度对成型精度的影响,通过粗糙度测量揭示了磨削参数对光纤透镜表面质量的影响规律,为优化光纤透镜的微磨削加工参数提供了依据。最后总结了本课题的主要结论和研究中出现的不足,对未来的研究方向提出了建议和展望。

关键词：微磨削晶体材料光学玻璃光纤透镜表面粗糙度

基于超声振动辅助微磨削的硬脆材料表面粗糙度研究

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基于超声振动辅助微磨削的硬脆材料表面粗糙度研究

作者：王力影河北工业大学

学位级别：硕士

近年来,硬脆材料因其具有硬度高、耐磨性好、耐高温、耐腐蚀性强等一系列优良的物理机械性能而受到了广泛的关注。但是,这些优良的性能也给加工过程提出了挑战。大量学者研究发现,超声振动辅助微磨削在加工硬脆材料上具有独特的优势,其... 详细信息

近年来,硬脆材料因其具有硬度高、耐磨性好、耐高温、耐腐蚀性强等一系列优良的物理机械性能而受到了广泛的关注。但是,这些优良的性能也给加工过程提出了挑战。大量学者研究发现,超声振动辅助微磨削在加工硬脆材料上具有独特的优势,其可以显著降低磨削力、减小磨削温度、抑制砂轮磨损和改善加工表面质量等。工件的表面粗糙度是体现加工质量的重要参数,一直是研究的重点问题。因此,本文对超声振动辅助微磨削脆硬材料的表面粗糙度进行研究,其具有重要的理论与应用价值。主要研究内容如下:1.对常规磨削状态下的工件材料去除机理进行了分析,介绍了典型的压痕断裂力学模型。基于典型的压痕断裂力学模型,对超声振动辅助微磨削的硬脆材料去除机理进行了分析。基于相邻两颗磨粒的运动轨迹方程,建立了超声振动辅助微磨削的运动学模型。2.基于超声振动辅助微磨削的表面形成机理,对工件表面粗糙度进行建模。基于切屑厚度的瑞利概率密度函数,考虑到磨粒的随机分布,磨削状态、超声振幅、磨粒几何形状对表面粗糙度建模的影响,得到了工件表面粗糙度与切屑厚度的关系式。3.为了验证上述所建立解析模型的正确性以及超声振动和磨削参数对工件表面粗糙度的影响,设计了超声振动辅助微磨削实验平台。实验结果表明:在不同的磨削加工参数下,引入超声振动能够有效的改善磨削过程中的工件表面质量;实验测得的工件表面粗糙度与解析模型预测结果较为吻合,但也产生了一定的误差,并对产生的误差进行了详细分析。

关键词：微磨削表面粗糙度超声振动切屑厚度硬脆材料

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光纤透镜微磨削的若干问题研究

光纤透镜微磨削的若干问题研究

作者：刘新伟沈阳理工大学

学位级别：硕士

光纤透镜是广泛使用于光纤通讯领域的耦合器件,将光纤端面加工成特殊形状可以提高光纤的光耦合效率,而传统的光纤透镜加工方法已不能满足光纤透镜日益增长的需求与光纤透镜形状多样化的需求。随着微磨削技术的发展,微磨削技术已经被应... 详细信息

光纤透镜是广泛使用于光纤通讯领域的耦合器件,将光纤端面加工成特殊形状可以提高光纤的光耦合效率,而传统的光纤透镜加工方法已不能满足光纤透镜日益增长的需求与光纤透镜形状多样化的需求。随着微磨削技术的发展,微磨削技术已经被应用于晶体材料微小器件的加工中,而且效率高并可以获得粗糙度达到纳米级别的工件表面,因此可将其应用到光纤透镜的制作加工中。开展光纤透镜微磨削加工技术的理论与试验研究,对光纤透镜及微磨削技术的发展与应用都具有一定的理论和现实意义。本文首先引入光纤透镜的基本概念,简述光纤透镜加工方法的发展状况,比较几种方法的优势与不足,然后引入了微磨削技术,综述了微磨削技术的国内外发展现状,总结出使用微磨削方法加工光纤透镜的可行性与必要性。其次在国内外学者对微磨削力的研究基础上,引入尺寸效应,动态磨粒个数等因素对光纤透镜微磨削建立了微磨削力模型,并在微磨削力的研究基础上,引入材料理论力学知识,开展了光纤透镜微磨削过程中的变形数学模型的建立,为光纤透镜微磨削加工提供了一定的理论基础。然后针对60°楔形光纤透镜、60°锥形光纤透镜进行微磨削试验研究,结合光纤变形模型总结出了微磨削参数对楔形光纤透镜的成形精度包括平面度、角度、偏轴量的影响规律与微磨削参数对锥形光纤透镜的成形精度包括直线度、角度、偏轴量的影响规律。根据楔形、锥形微磨削实验结果及方法步骤选择微磨削参数加工出成形精度较高的不同角度楔形、锥形、斜面光纤透镜。也成功的使用微磨削方法在光纤端面加工出圆柱形状透镜和球形光纤透镜微磨削加工,扩展了微磨削方法加工光纤透镜的种类。最后总结了本课题的主要结论与课题研究过程中出现的不足,并对未来的研究方向提出了建议与展望。

关键词：光纤透镜微磨削光纤变形成形精度

基于超声辅助端面微磨削的硬脆材料磨削力建模研究

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基于超声辅助端面微磨削的硬脆材料磨削力建模研究

作者：赵岩河北工业大学

学位级别：硕士

微磨削技术适于加工脆硬材料,且加工零件表面精度及棱边精度高,对于加工复杂三维形状的脆硬材料微零件具有独特优势。然而,微磨削加工技术存在加工效率低、磨削热量大、微砂轮易磨损等缺陷。已有研究表明,机械—超声振动复合加工方法可... 详细信息

微磨削技术适于加工脆硬材料,且加工零件表面精度及棱边精度高,对于加工复杂三维形状的脆硬材料微零件具有独特优势。然而,微磨削加工技术存在加工效率低、磨削热量大、微砂轮易磨损等缺陷。已有研究表明,机械—超声振动复合加工方法可有效减小切削力、降低磨削温度、抑制砂轮阻塞等。这为针对性地解决上述问题提供了一种有效的思路:于微磨削技术附加超声振动,成为一种复合加工方法——超声振动端面微磨削技术。磨削力作为一种能够综合反映磨削过程的重要加工参数,对其研究具有重要的意义,本文对硬脆材料超声振动端面微磨削磨削力进行了建模与实验研究。基于加工表面微观形貌分析,将端面磨削区域划分为主磨削区、耕犁磨削区、滑擦磨削区三个子磨削区域。通过磨粒运动学分析,研究了断续磨削实现的条件和脆—塑转变临界磨削参数。分别建立了不同材料去除机理下单颗磨粒磨削力模型:基于布氏硬度试验,建立了滑擦作用和耕犁作用下单颗磨粒磨削力模型;基于材料塑性剪切理论,采用改进的Janson-Cook本构模型,建立了塑性剪切下单颗磨粒磨削力模型;基于断裂力学及划痕试验原理,建立了裂纹形成下单颗磨粒磨削力模型。从材料应变梯度塑性理论、泰勒位错理论、耕犁力与滑擦力影响的角度,考虑了尺寸效应对磨削力的影响。基于微径砂轮表面形貌分析、统计学原理和离散积分思想,建立了各子磨削区域整体磨削力模型,并最终建立了砂轮整体磨削力模型。设计了超声振动端面微磨削试验平台,模型预测结果与实验结果较为吻合,结果表明:当频率系数k不为整数且进给—振幅比率λ小于2时,超声振动辅助端面微磨削能够实断续磨削;附加超声振动使法向磨削力、进给方向磨削力、横向进给方向磨削力分别最高降低了65.6%、47.7%、42.2%;附加超声振动使加工表面质量得到明显改善;随砂轮转速增大、进给速度减小、磨削深度降低,磨削力减小,加工表面质量逐渐改善。

关键词：超声振动微磨削尺寸效应脆—塑转变磨削力建模

光学玻璃自由曲面微磨削去除理论建模与工艺研究

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光学玻璃自由曲面微磨削去除理论建模与工艺研究

作者：唐微山东科技大学

学位级别：硕士

随着科学技术的发展和工业制造能力的提高,工业生产中对微型零件、微小型机械装备的需求越来越多,产品的高度集成化、小型化已经成为发展趋势,应用前景极其广阔。光学玻璃由于具有良好的耐腐蚀性、耐磨性和良好的力学性能,被广泛应用于... 详细信息

随着科学技术的发展和工业制造能力的提高,工业生产中对微型零件、微小型机械装备的需求越来越多,产品的高度集成化、小型化已经成为发展趋势,应用前景极其广阔。光学玻璃由于具有良好的耐腐蚀性、耐磨性和良好的力学性能,被广泛应用于现代医学、航空航天以及微电子机械等领域。目前,对于微小型脆硬材料来说微磨削是最有效的加工方法之一,但硬脆材料的高强度高硬度也增大了加工难度,从而导致加工效率低,加工成本高。为了有效提高光学玻璃加工效率,缩短加工周期,改善加工质量,本论文通过理论分析、数值模拟和实验研究的方法对磨削参数(磨削深度、磨棒转速和工件进给速度)与光学玻璃体积去除以及微磨削力之间的关系进行探讨。同时,对于不同形状工件微磨削加工进行模拟与实验探究。(1)基于单颗磨粒微磨削加工机理,探讨微磨削加工中切削形成机理和最小切削厚度模型,建立微磨削加工材料去除体积、去除率以及微磨削力与磨削参数和材料性能之间的具体数学表达式,得到材料去除体积、去除率和微磨削力与磨削参数间的变化规律。(2)分别建立平面、凸面和凹面工件的微磨削数值模拟模型,在不同磨削参数条件下,利用ABAQUS进行数值模拟光学玻璃的磨削加工过程,讨论了磨削参数与光学玻璃磨削去除体积、去除率以及微磨削力的关系。模拟结果表明,增大磨削深度,提高工件进给速度均能有效增大磨削材料去除体积和去除率,但工件进给速度对材料去除体积的影响较小,随着磨削深度的增大或工件进给速度的提高,微磨削力也随着增大且力的振动越来越大,加工表面质量变差。提高磨棒转速,材料去除体积减少,去除率降低,同时微磨削力随之变小,磨削后工件表面质量提高。(3)对自由曲面不同部位的光学玻璃工件进行微磨削实验,在实验过程中进行微磨削力的采集,加工后在显微镜下观测其表面,测量出材料去除宽度。从实验结果分析,得到了与理论分析和数值模拟较为一致的结论,提高磨削深度,增大工件进给速度有利于提高材料去除体积和去除率,但同时磨削力较大,加工后表面变差。提高磨棒转速,材料去除和磨削力随之减小。(4)本论文将自由曲面分平面、凹面和凸面三部分进行了数值模拟和微磨削实验,通过数值模拟和磨削实验发现相同磨削参数下,凹面工件材料去除体积和去除率最大,平面工件次之,凸面最小,同时材料去除越大,微磨削力也增大,磨削后表面质量变差。

关键词：微磨削光学玻璃材料去除微磨削力异形工件

动压剪切增稠磨粒流加工技术及复合微磨削实验研究

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动压剪切增稠磨粒流加工技术及复合微磨削实验研究

作者：罗宜毫华南理工大学

学位级别：硕士

微结构成型模芯的传统光整加工存在抛光工具的微细端制造困难,抛光工具与微结构接触表面的压力不易控制,微结构边沿毛刺难去除等问题。因此,本论文基于流体动压和剪切增稠效应,提出一种动压剪切增稠磨粒加工及其复合微磨削的新方法。其... 详细信息

微结构成型模芯的传统光整加工存在抛光工具的微细端制造困难,抛光工具与微结构接触表面的压力不易控制,微结构边沿毛刺难去除等问题。因此,本论文基于流体动压和剪切增稠效应,提出一种动压剪切增稠磨粒加工及其复合微磨削的新方法。其技术特点是:将微成型磨削与表面光整去毛刺两种工艺复合,在同一台机床、同一工位上使用同一工具,实现金属模具钢的微磨削和表面光整一体化加工。基于动压剪切增稠磨粒流加工的基本原理,利用仿真分析的加工区磨粒流体压力场和速度场,构建单颗磨粒及整个加工区的材料去除模型。结果表明:相比于非剪切增稠磨粒流体,剪切增稠磨粒流体对工件表面的增压能力明显更优,对磨粒的把持能力更强,加工效果更好。为探究磨粒粒径和浓度对磨粒流体黏度的影响,进行磨粒流体流变性能的实验研究。结果表明,磨粒粒径在微米尺度和亚微米尺度间存在不同流变特性,磨粒粒径为1～2μm时磨粒流体黏度与剪切速率无关。在微米尺度的磨粒流加工中,剪切速率大于临界剪切速率10 s时,磨粒流体具有较强的剪切增稠能力,微米尺度固相粒子能够固聚在磨粒周围产生把持作用。而且,磨粒浓度越大,磨粒流体黏度越大,对磨粒的把持能力越强。然后,进行粒度为3～8μm的磨粒流加工模具钢的实验,分析发现:当转速过小、加工间隙过大时,产生的流体动压过小,无法有效去除材料;磨粒流体黏度越大把持力越大,有效磨粒数越多,加工表面质量越高。实验结果显示:剪切增稠磨粒流加工比非剪切增稠的可减小模具钢表面粗糙度约63%,达到50 nm。最后,将动压剪切增稠磨粒流复合粒径106μm固结磨粒砂轮的微磨削,进行模具钢微槽加工实验,结果表明,动压剪切增稠磨粒流复合磨削不仅可以改善微结构表面加工质量,而且可以去除微结构边沿毛刺。采用8μm的游离磨粒可以将普通微磨削边沿毛刺从5μm减小到0.3μm,但较粗磨粒会导致加工表面粗糙度有所增加。最终,采用粒径为50 nm的剪切增稠磨粒流复合粒径为44μm固结磨粒砂轮的微磨削,可以将粗糙度从78 nm下降到16 nm,实现微结构表面的光整加工。

关键词：磨粒流加工微磨削剪切增稠流体动压效应光整加工

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CFRP微磨削机理与工艺研究

CFRP微磨削机理与工艺研究

作者：庄朋沈阳工业大学

学位级别：硕士

碳纤维增强复合材料（CFRP）因具有高比强度、高比模量和抗疲劳等优越性能,在航空航天等重要领域应用广泛。随着制备工艺的不断提升,其应用领域逐渐扩展到手机、赛车、高端机床和笔记本等新型领域,同时也对碳纤维增强复合材料的表面质... 详细信息

碳纤维增强复合材料（CFRP）因具有高比强度、高比模量和抗疲劳等优越性能,在航空航天等重要领域应用广泛。随着制备工艺的不断提升,其应用领域逐渐扩展到手机、赛车、高端机床和笔记本等新型领域,同时也对碳纤维增强复合材料的表面质量和形状精度方面提出了更高的要求。传统加工方法易产生分层、毛边、纤维抽出和基体碎裂等缺陷。本文利用有限元软件进行微磨削仿真,探讨不同工艺参数对碳纤维增强复合材料加工过程的影响,从而揭示碳纤维增强复合材料微磨削的机理,同时使用超薄金刚石砂轮对碳纤维增强复合材料进行微磨削。（1）首先对Abaqus有限元分析软件的前处理进行二次开发。观察单向碳纤维增强复合材料的微观形貌,利用两点距离大于2R（R为纤维直径）为判断条件,通过使用内部插件RSG,建立了输入纤维直径、纤维数量和矩形长宽等参数生成符合实际纤维占比的碳纤维增强复合材料模型的GUI（图形用户界面）;使用扫描电镜对砂轮和磨粒进行微观形貌观察,对磨粒表面的随机性与多面性进行总结,采用圆外切线的方法建立切割体,通过对被切割体随机位置的切割建立磨粒并建立GUI;通过简化磨粒在砂轮表面的位置,使磨粒在砂轮表面类似斜齿轮排布并建立GUI。（2）通过GUI建立碳纤维增强复合材料微磨削的模型,在Abaqus中进行微磨削仿真,改变不同主轴转速、磨削深度和纤维取向等参数,总结磨削力与各个参数的关系和变化规律;观察微磨削的仿真过程,探索微磨削情况下,纤维与基体的破坏方式,依据纤维与基体的脱离程度、周围纤维的断裂根数和纤维的断裂长度等亚表面损伤得出最佳工艺参数;在同一工艺参数不同纤维取向角下,探索纤维与基体的断裂形式。（3）利用超薄金刚石砂轮对碳纤维增强复合材料进行与仿真参数对应的微磨削试验,根据不同转速与纤维取向角的磨削力曲线规律和表面质量分析验证仿真的正确性。还进行不同进给速度和切割深度参数的微磨削试验,总结两种因素对加工表面的影响。通过不同工艺参数的试验与仿真研究得出,碳纤维复合材料微磨削的最佳工艺参数为主轴转速24000r/min、进给速度2mm/s和切割深度0.2mm;纤维取向角度选择90度时;切割片目数为500N,表面粗糙度达到Ra=0.024μm。最后针对超薄金刚石砂轮的目数进行工艺试验,选择更适合磨削碳纤维增强复合材料的切割片。

关键词：碳纤维增强复合材料有限元二次开发微磨削机理

基于运动学与动力学分析的极坐标超声振动端面微磨削机理研究

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工具技术 2014年第9期48卷 25-28页

作者：孙凌宇李辉赵岩张硕曹志民河北工业大学

提出了一种极坐标式超声振动端面微磨削加工方法,建立微砂轮端面最外层圆周上磨粒运动轨迹模型,并采用对时间求导与矢量合成的方法,推导出磨粒的速度模型和加速度模型。针对超声振动方向和微砂轮进给方向之间的夹角Φ,进行了单因素仿真... 详细信息

提出了一种极坐标式超声振动端面微磨削加工方法,建立微砂轮端面最外层圆周上磨粒运动轨迹模型,并采用对时间求导与矢量合成的方法,推导出磨粒的速度模型和加速度模型。针对超声振动方向和微砂轮进给方向之间的夹角Φ,进行了单因素仿真试验研究。结果表明:磨粒轨迹具有周期性和方向性,邻近轨迹存在交叠和分离特征,证明微磨削加工中存在"沟槽宽化"、"断续切削"等现象;磨粒速度最大值呈现稳定变化趋势,但其方向受Φ影响较为显著;磨粒加速度大小仅由所施加的超声振动参数决定,其方向受Φ影响较大;磨粒的高频冲击力远大于材料的许用应力值,利于材料的疲劳去除。

关键词：超声振动微磨削极坐标动力学建模仿真分析

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微机械制造中的微磨削加工技术

电大理工 2016年第2期 15-17页

作者：吴伟涛刘宏楠辽宁广播电视大学沈阳110034

微机械加工一般包含有很多种材料去除过程,微磨削是在传统磨削的基础上,采用直径小于1mm的微磨棒,在桌面化数控微磨床上实现多种材料的三维微加工,鉴于加工后的工件能获得纳米级表面粗糙度的良好效果,微磨削技术已成功应用在光学元件、... 详细信息

微机械加工一般包含有很多种材料去除过程,微磨削是在传统磨削的基础上,采用直径小于1mm的微磨棒,在桌面化数控微磨床上实现多种材料的三维微加工,鉴于加工后的工件能获得纳米级表面粗糙度的良好效果,微磨削技术已成功应用在光学元件、微透镜阵列以及反射光栅等微结构的加工中。对于硬脆材料及其它难加工材料,微磨削将取代传统的研磨抛光工艺进行超精密加工,成为一种新的加工技术。

关键词：微磨削微磨棒耕犁机理数控微磨