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光学玻璃超声振动磨削亚表面损伤的试验研究

工具技术 2017年第7期51卷 15-19页

作者：周明黄铖赵培轶黄劭楠哈尔滨工业大学佳木斯大学

进行光学玻璃BK7超声振动辅助磨削试验,采用截面抛光法配合HF酸腐蚀法并通过扫描电子显微镜观测获得亚表面裂纹的最大深度,研究了主轴转速、磨削深度、进给速度和超声振动振幅对亚表面损伤裂纹最大深度的影响规律,分析了亚表面裂纹的几... 详细信息

进行光学玻璃BK7超声振动辅助磨削试验,采用截面抛光法配合HF酸腐蚀法并通过扫描电子显微镜观测获得亚表面裂纹的最大深度,研究了主轴转速、磨削深度、进给速度和超声振动振幅对亚表面损伤裂纹最大深度的影响规律,分析了亚表面裂纹的几种形态及其成因。结果表明,随着主轴转速和超声振动振幅增大,磨削深度及进给速度减小,亚表面最大裂纹深度明显减小。超声振动的引入改善了磨削时的加工条件,对提高加工表面及亚表面的质量有一定帮助。

关键词：光学玻璃BK7 超声振动磨削亚表面损伤

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SiC光学元件超声振动磨削系统设计与研究

SiC光学元件超声振动磨削系统设计与研究

作者：周莲苏州科技大学

学位级别：硕士

Sic材料具有高硬度、较大热导率、较小热膨胀系数和高度耐化学腐蚀等优良的材料性能,是制造大口径、轻量光学元件的理想材料。然而SiC的特殊材料性能对加工方法提出了更高的要求,常规加工方法效率低,且易产生裂纹、崩碎等缺陷,不仅使加... 详细信息

Sic材料具有高硬度、较大热导率、较小热膨胀系数和高度耐化学腐蚀等优良的材料性能,是制造大口径、轻量光学元件的理想材料。然而SiC的特殊材料性能对加工方法提出了更高的要求,常规加工方法效率低,且易产生裂纹、崩碎等缺陷,不仅使加工成本增加,对后续的研磨抛光也会造成较大负担。本文以加工SiC材料光学元件的超声磨削系统为研究对象,研究了超声振动磨削系统的结构设计、有限元仿真和非接触电信号传输,本文具体研究内容如下:（1）确定SiC零件超声振动磨削系统的组成部分及功能要求,设计了超声振动磨削主轴的结构。仿真分析了超声主轴的静态和动态特性,获得了主轴最大变形量和临界转速。设计主轴支撑方式,采用串联轴承组。根据陶瓷零件超声磨削加工要求的功率,设计超声电源和电镀金刚石砂轮。（2）根据全波长超声换能器理论,计算振子结构。采用Ansys有限元软件仿真,超声振子呈纵向振动,且频率和振幅比达到要求。加工获得超声磨削振子实物,测得超声振子谐振频率比仿真结果略低;砂轮端面最大振幅可达到陶瓷零件超声加工要求。（3）依据电磁感应原理设计了一种考虑分布电容和漏感影响的新型非接触电信号传输装置,解决了传统接触式电信号传输方式存在的摩擦大、发热严重、振动大和转速低的问题。计算了超声电信号非接触传输装置瓷罐结构尺寸,建立了传输理论模型,实测分布电容和漏感对电信号非接触传输装置传输性能的影响,提出了增大瓷罐气隙减小分布电容和漏感的解决方法。实验结果表明:瓷罐气隙在越小,传输效率越高,振幅输出可稳定在8μm,具备超声振动磨削陶瓷零件要求。

关键词： SiC材料超声波加工超声振动磨削振动系统非接触电信号传输

BK7光学玻璃超声振动磨削亚表面损伤的研究

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BK7光学玻璃超声振动磨削亚表面损伤的研究

作者：黄铖哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

光学玻璃具有稳定的物理、化学性能及高度光学均匀性,因此广泛应用于相关工程领域,但其高脆性、低断裂韧性的特点降低了光学玻璃的可加工性能,传统磨削技术极易在已加工的亚表面引入各类损伤,对加工质量及效率等都产生不利影响。降低加... 详细信息

光学玻璃具有稳定的物理、化学性能及高度光学均匀性,因此广泛应用于相关工程领域,但其高脆性、低断裂韧性的特点降低了光学玻璃的可加工性能,传统磨削技术极易在已加工的亚表面引入各类损伤,对加工质量及效率等都产生不利影响。降低加工零件亚表面损伤程度,有助于减少零件后续研抛时间,提高零件的整体加工效率。超声振动辅助磨削加工技术具有降低平均切削力、减少加工微裂纹、提高材料去除率等优势。但目前超声振动作用对光学玻璃亚表面微裂纹扩展的影响尚未明确,对超声振动作用下光学玻璃亚表面损伤形成及预测的研究还不完善。因此开展超声振动磨削中光学玻璃亚表面损伤的研究对实现该类材料精密低损伤加工具有重要理论意义和实用价值。超声振动作用对光学玻璃材料亚表面微裂纹扩展的影响分析是亚表面加工损伤研究的基础。本文分析了超声振动效应对单颗磨粒运动轨迹及动力学特征的影响。通过准静态印压实验,建立了BK7光学玻璃在准静态载荷作用下的内部应力场分布模型,分析了应力场驱动下微裂纹成核与扩展机制,结果表明,磨粒运动轨迹重叠及超声效应的引入造成的中位裂纹屏蔽作用是使裂纹扩展深度出现下降的主要原因。通过超声振动辅助旋转刻划实验,分析了冲击载荷对光学玻璃材料脆性断裂过程的影响,结果表明由于磨粒惯性冲击力的作用,使得BK7光学玻璃材料动态力学性能发生变化,内部裂纹更容易成核,微裂纹闭合导致的材料脆性断裂成为材料去除的主要原因。上述研究为后续光学玻璃超声振动磨削亚表面损伤规律和预测的研究提供理论基础。超声振动磨削加工中砂轮多磨粒作用和高频振动效应都会对亚表面损伤产生重要影响。本文进行了超声振动磨削加工实验,采用扫描电子显微镜对光学玻璃加工亚表面裂纹微观形貌进行了检测,分析了多磨粒、多种载荷作用下亚表面裂纹损伤的特征及其形成机制,结果表明,磨粒加载方向及材料动态性能变化是造成BK7玻璃亚表面裂纹形态变化的原因。在此基础上,通过实验研究获得了磨削加工参数及砂轮参数对亚表面裂纹最大深度的影响规律,为后续亚表面裂纹最大深度预测模型的建立提供依据。对亚表面裂纹最大深度实现有效的预测是减少零件后续研磨和抛光时长、提高加工效率、改善磨削加工质量的关键。根据前述分析结论和研究,本文分别采用最小二乘支持向量机及高斯过程回归方法建立了超声振动磨削加工BK7光学玻璃的亚表面裂纹最大深度预测模型,在此基础上,通过磨削加工实验对两种预测模型的有效性进行了验证,并对预测精度进行了比较。为实现光学玻璃材料超声振动磨削加工工艺参数的优选提供了基础和依据。

关键词：光学玻璃超声振动磨削亚表面损伤预测模型

光学玻璃超声振动磨削表面创成及亚表面损伤研究

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光学玻璃超声振动磨削表面创成及亚表面损伤研究

作者：邱诚哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

近年来,伴随着光电子技术、航空航天技术、原子能技术以及激光技术等尖端科技的迅猛发展,对光学元件的性能要求也越来越高。由于光学玻璃有着诸多优点,例如光学常数较为精确、性能稳定结构均匀、能够实现多种光学功能等,其在上述领域被... 详细信息

近年来,伴随着光电子技术、航空航天技术、原子能技术以及激光技术等尖端科技的迅猛发展,对光学元件的性能要求也越来越高。由于光学玻璃有着诸多优点,例如光学常数较为精确、性能稳定结构均匀、能够实现多种光学功能等,其在上述领域被广泛应用。但光学玻璃也是一种硬脆材料,有着诸多优点的同时也存在着高硬度、低韧性、易崩碎以及难加工等缺点,如果采用传统磨削、研磨和抛光的加工方法,则难以兼顾加工效率、成本与表面质量的要求。随着精密/超精密加工技术的发展,超声振动磨削加工技术因其高效低损伤的加工优势脱颖而出,逐渐成为光学玻璃精密加工的主要方法之一。本论文建立了光学玻璃超声振动磨削加工表面粗糙度的仿真模型,并结合实验数据对仿真模型加以验证与修正;分析了光学玻璃超声振动磨削加工亚表面损伤的形成机制;研究了加工参数对表面粗糙度及亚表面损伤的影响规律,为探索提高光学玻璃加工表面质量、减免亚表层损伤的技术措施提供了依据。在光学玻璃的实际应用中对于表面粗糙度的要求较高,研究加工表面粗糙度的影响因素及规律是提高加工表面质量的基础。本文对砂轮表面形貌进行了采样,获得了采样区域形貌的数字化信息;并通过对采样数据的处理与计算构建了砂轮表面形貌仿真模型,通过砂轮表面形貌特征的实测结果与仿真结果的对比,验证了仿真模型的有效性。分析并计算了磨粒在砂轮表面的随机排列位置;基于超声振动磨削加工的运动分析,构建了加工过程中任意磨粒的空间运动方程,为光学玻璃超声振动磨削加工表面粗糙度预测模型的建立提供了基础。在以上研究的基础上,运用表面轮廓搜索算法,建立了加工表面粗糙度的预测模型,采用MATLAB软件,实现了加工表面粗糙度的预测。进行了光学玻璃BK7的超声振动磨削加工实验,对表面粗糙度预测模型的有效性进行了验证与修正。研究了超声振动参数、磨削加工参数等对表面粗糙度的影响规律,为实现光学玻璃低表面粗糙度超声振动精密磨削加工工艺参数的选择提供了依据。光学玻璃在加工过程中产生的亚表面损伤直接影响工件的使用寿命和性能。本文对光学玻璃超声振动磨削加工中亚表面损伤的产生机制和特点进行了分析,采用机械抛光法结合HF酸腐蚀法对加工后的工件进行了处理,使用扫描电子显微镜对加工表面和截面进行了观测。根据亚表面损伤的特征分析了裂纹的产生原因。实验研究了主轴转速、磨削深度、进给速度及超声振动振幅等参数对亚表面损伤最大裂纹深度的影响规律,为探索减免亚表面损伤的技术措施提供了基础。

关键词：光学玻璃超声振动磨削表面粗糙度亚表面损伤预测模型

旋转超声振动磨削钛合金的磨削力与表面完整性研究

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旋转超声振动磨削钛合金的磨削力与表面完整性研究

作者：胡智特西南交通大学

学位级别：硕士

随着科学技术发展,人们对零件的材料性能和加工精度要求不断提高,钛合金材料因其具有的良好性能,在制造业,特别是航空航天工业中得到大量应用。本文针对钛合金材料制孔技术,查阅相关文献,了解了国内外超声振动加工技术和材料表面完整性... 详细信息

随着科学技术发展,人们对零件的材料性能和加工精度要求不断提高,钛合金材料因其具有的良好性能,在制造业,特别是航空航天工业中得到大量应用。本文针对钛合金材料制孔技术,查阅相关文献,了解了国内外超声振动加工技术和材料表面完整性的研究进展,从运动学角度对超声振动磨削的机理进行研究,建立磨削力理论模型。开展旋转超声振动磨削TC4钛合金的实验,对实验的磨削力和加工孔孔壁表面完整性进行研究,完成工作及相关结论如下：(1)建立旋转超声振动磨削的磨粒运动方程,绘制磨粒运动轨迹曲线,从运动学角度分析磨粒对工件材料的去除方式,主要以超声冲击为主,且伴随一定的划擦、耕犁。建立磨削力理论模型,确定对磨削力产生影响的各加工参数,为实际加工过程中工艺参数的设置和选取提供参考。(2)搭建超声振动加工实验平台,选取实验加工工具,开展超声磨削、超声钻削和传统钻削实验,获取实验切削力数据。对超声磨削的磨削力数据做信噪比分析和方差分析,获取各加工参数对磨削力的影响显著性和影响规律。对超声钻削与常规钻削的钻削力数据进行分析发现,相同工况下超声钻削的钻削力比常规钻削低。归纳超声磨削与超声钻削两种加工方式的优缺点及各自适用范围。(3)对超声磨削加工的孔壁表面完整性开展检测,获取实验加工孔的孔壁表面粗糙度数据,分析超声磨削实验中各加工参数对孔壁表面粗糙度的影响显著性和影响规律。获取超声磨削加工后的孔壁表面形貌,对其形貌成形原因开展分析。对超声磨削的孔壁表面进行显微观测和XRD分析,根据XRD分析数据绘制表层材料成分分析图谱,为材料表层的烧伤与显微硬度分析提供依据。(4)对超声磨削加工的孔壁表层显微硬度进行检测,获取孔壁表层显微硬度数据,绘制显微硬度随表层深度的变化曲线,获取超声磨削的孔壁硬化层深度和硬化百分比,分析孔壁表层发生硬化的原因。

关键词：超声振动磨削钛合金磨削力表面完整性

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铁氧体磁性材料超声振动磨削表面质量研究

铁氧体磁性材料超声振动磨削表面质量研究

作者：王志文哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

铁氧体磁性材料具有很高的电阻率，与其它金属磁性材料相比，高频应用时具有涡流损耗小等特点，在通信、仪器仪表和计算机等领域得到广泛的应用。铁氧体属于陶瓷材料，具有硬度高、脆性大等特点，其可加工性较差，加工质量难以保证。与... 详细信息

铁氧体磁性材料具有很高的电阻率，与其它金属磁性材料相比，高频应用时具有涡流损耗小等特点，在通信、仪器仪表和计算机等领域得到广泛的应用。铁氧体属于陶瓷材料，具有硬度高、脆性大等特点，其可加工性较差，加工质量难以保证。与普通磨削相比，超声振动磨削具有减小磨削力、降低磨削热、在保证一定材料去除率的前提下易于获得良好表面质量等技术优势，本文研究超声振动磨削加工铁氧体时工艺条件对加工表面质量的影响，为该技术的实际应用提供技术支持。为分析超声振动磨削加工中材料去除过程，本文在对铁氧体超声振动磨削加工表面微观形貌进行观测分析的基础上，进行了铁氧体的纳米压痕试验和仿真以及显微压痕试验，结合超声振动磨削磨粒运动学分析，研究了磨粒的磨削路径对材料去除的影响。为研究超声振动磨削加工过程中磨削力的变化规律，建立了磨削力预测模型并进行了相关实验验证，通过对磨削力的理论值和实验值进行对比，验证了磨削力模型的准确性，并分析了加工参数变化对磨削力的影响。结合磨削力研究结果，分析了超声振动磨削过程中刀具磨损的主要形式及产生原因。进行了铁氧体超声振动磨削单因素试验和正交试验，研究了主轴转速、磨削深度、横向进给速度和超声振动振幅对表面粗糙度的影响规律。在上述研究的基础上，进行了多元线性回归分析，建立了表面粗糙度预测模型，为铁氧体高表面质量加工工艺参数优选提供了依据。

关键词：铁氧体超声振动磨削磨削力表面粗糙度预测模型刀具磨损

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氮化硅陶瓷超声振动磨削机理及表面质量研究

氮化硅陶瓷超声振动磨削机理及表面质量研究

作者：周雪钢哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

长期以来,金属材料一直占据着的结构材料应用的主要地位,随着社会的发展和进步,众多高科技领域特别是在极端条件下,金属材料越来越无法满足实际需要。先进结构陶瓷由于其高强度、高硬度、耐磨损、抗腐蚀以及低热导等独特的优异性能,逐... 详细信息

长期以来,金属材料一直占据着的结构材料应用的主要地位,随着社会的发展和进步,众多高科技领域特别是在极端条件下,金属材料越来越无法满足实际需要。先进结构陶瓷由于其高强度、高硬度、耐磨损、抗腐蚀以及低热导等独特的优异性能,逐步得到广泛的应用,成为现代社会发展必需的材料之一。然而由于结构陶瓷硬度高、脆性大,常规加工方法效率低,容易产生裂纹、崩碎等缺陷,生产成本高,限制了其进一步的应用。因此本文对氮化硅陶瓷的超声振动磨削加工机理和加工质量进行探索,研究新的加工工艺对氮化硅陶瓷的加工影响。对氮化硅陶瓷材料去除机理的研究是超声振动磨削工艺推广应用的前提。超声振动磨削加工运动轨迹与常规加工方法不同,因此需要对超声振动磨削加工轨迹进行研究,以分析新的运动轨迹对材料去除的影响。本文利用压痕断裂力学理论分析了氮化硅陶瓷材料去除原理,并结合常规磨削过程材料去除机理,分析了超声磨削加工中刀具不同位置磨粒的运动轨迹对材料去除的影响。研究结果表明超声振动磨削有利于提高加工效率和加工表面质量,减小表面损伤。由于磨削过程的复杂性,一般通过压痕试验分析材料的去除过程。为了全面地分析氮化硅陶瓷在压头作用下的应力场变化情况,同时研究超声振动对压痕过程的影响,本文进行了压痕试验及仿真研究。通过超声振动压痕和普通压痕的对比,分析了超声振动对加工过程的影响。仿真结果表明,超声振动能减小陶瓷材料受到的平均力及压头应力影响区域,从而减少中位裂纹的产生,降低变质层深度。在上述研究的基础上,进行了氮化硅陶瓷超声振动磨削工艺试验,验证了超声振动对陶瓷加工的作用。通过正交试验分析了工艺参数对加工表面质量的影响,试验结果表明,主轴转速、进给速度、磨削深度、振幅对表面粗糙度的影响程度依次减弱。

关键词：超声振动磨削压痕有限元表面质量

纳米陶瓷超声振动磨削表面/亚表面损伤机理研究

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纳米陶瓷超声振动磨削表面/亚表面损伤机理研究

作者：孔令志河南理工大学

学位级别：硕士

由于陶瓷材料具有机械强度高、耐磨、耐热、耐腐蚀、不导电、化学稳定性好等优良特性,使其在航天航空、化工等领域有着十分广阔的应用前景。磨削作为硬脆材料常用的加工手段被广泛应用于陶瓷材料的精加工之中。但传统的磨削方式加工效率... 详细信息

由于陶瓷材料具有机械强度高、耐磨、耐热、耐腐蚀、不导电、化学稳定性好等优良特性,使其在航天航空、化工等领域有着十分广阔的应用前景。磨削作为硬脆材料常用的加工手段被广泛应用于陶瓷材料的精加工之中。但传统的磨削方式加工效率低,加工成本高,且表面质量较差。超声振动磨削技术的引入大大提高了陶瓷材料的加工效率,降低了加工成本。由于陶瓷材料的高硬度和高脆性,其在加工过程中表面易留下加工损伤,如表面/亚表面裂纹、表面破碎、表面粉碎以及残余应力等,上述加工损伤的存在将严重影响陶瓷工件的疲劳寿命及使用安全。为此本文从陶瓷材料磨削的表面完整性、表面/亚表面裂纹的成核及其扩展过程和表面残余应力等方面对超声振动磨削陶瓷表面/亚表面损伤机理进行了深入研究。从微观角度揭示了超声振动对陶瓷材料表面/亚表面损伤的形成机理,为陶瓷材料的高效、精密无损加工提供理论依据。本文主要研究内容如下: 1.分析了陶瓷材料的去除机理,并对超声磨削陶瓷表面损伤进行了实验研究。研究表明超声振动磨削可以在较大切深范围内实现材料的塑性域磨削,从而可以在提高加工效率的同时有效降低工件的磨削损伤。而普通磨削则在较小磨削深度时就已经出现表面破碎等表面损伤。 2.根据压痕断裂力学相关理论分析了超声磨削应力场,并在此基础上对超声振动磨削时裂纹成核及扩展机理做了详细讨论。分析表明超声磨削过程中磨削应力场是一个高频交变应力场,该交变应力场将加速材料的疲劳断裂,同时该交变应力场将促使裂纹向自由表面扩展,从而阻止裂纹向工件内部扩展,降低亚表面裂纹损伤。 3.分析了超声振动磨削表面残余应力的形成机理。由于超声振磨削较普通磨削具有更大切深范围的延性域,所以超声磨削时材料更易于以塑性去除方式去除,而塑性去除将会使工件表面形成残余压应力。而普通磨削多以脆性方式去除,表面易形成破碎,材料的破碎去除将释放掉部分表面残余应力。故相同磨削条件下,超声磨削表面残余压应力要大于普通磨削。实验表明两种磨削方式下磨削表面皆为残余压应力。

关键词：纳米复相陶瓷超声振动磨削表面质量磨削损伤表面/亚表面裂纹表面/亚表面损伤

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纳米陶瓷超声振动磨削温度研究

纳米陶瓷超声振动磨削温度研究

作者：王星河南理工大学

学位级别：硕士

超声振动磨削加工可有效提高纳米陶瓷工件的加工效率和加工质量,受到人们青睐。但磨削时热效应始终是影响磨削加工的重要因素,因此研究超声振动磨削加工纳米陶瓷的工件表面和磨削区温度具有重要意义。本文首先基于Labview设计了... 详细信息

超声振动磨削加工可有效提高纳米陶瓷工件的加工效率和加工质量,受到人们青睐。但磨削时热效应始终是影响磨削加工的重要因素,因此研究超声振动磨削加工纳米陶瓷的工件表面和磨削区温度具有重要意义。本文首先基于Labview设计了磨削温度测量程序和回放程序。通过对超声振动磨削加工和普通磨削加工纳米陶瓷试件磨削温度的对比试验,研究了各磨削参数对普通磨削和超声振动磨削下磨削温度的影响。结果表明:两种磨削加工方式的磨削温度均随着砂轮线速度的提高,磨削深度的增加,工作台速度的减缓而上升;超声振动下纳米陶瓷试件的磨削温度低于普通磨削时的磨削温度约40 C。通过正交试验回归分析,得出了普通和超声振动下磨削纳米陶瓷的磨削温度经验公式,并得出了磨削深度对磨削温度的影响最为巨大的结论。随后建立了磨削温度场的模型,编写了平面磨削移动热源子程序。使用有限元分析软件MSC.Marc/Mentat,对超声振动磨削和普通磨削纳米陶瓷温度场进行了动态模拟,得出了不同时刻纳米陶瓷试件的整体温度云图和磨削区域的温度云图。代入试验中使用的各磨削参数,通过模拟计算出温度值,对其进行单因素分析和正交分析,并将结果与试验结果进行比对,发现模拟结果所呈现的各种规律与试验结果吻合,但模拟数据比实测数据高出6%左右,针对这一现象,详细分析了造成差异的原因。

关键词：超声振动磨削温度场纳米陶瓷有限元仿真