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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
导　师: 周明
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 航空宇航制造工程
关键词: 超声振动磨削压痕有限元表面质量
分类号: TG580.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

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。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-8
第1章绪论  8-15
  1.1 课题背景及研究的目的和意义  8-9
  1.2 超声振动加工技术研究现状  9-10
  1.3 陶瓷材料国外加工研究现状  10-12
  1.4 陶瓷材料国内加工研究现状  12-13
  1.5 本课题的主要研究内容  13-15
第2章氮化硅陶瓷超声振动磨削加工机理研究  15-28
  2.1 引言  15
  2.2 氮化硅陶瓷材料去除机理的理论分析  15-22
    2.2.1 压痕弹性应力场分析  15-17
    2.2.2 压痕裂纹的成核  17-19
    2.2.3 压痕裂纹的扩展  19-22
  2.3 常规磨削加工磨粒运动对材料去除影响  22-23
  2.4 超声振动磨削加工磨粒运动轨迹对材料去除影响分析  23-26
    2.4.1 超声振动磨削侧面磨粒运动轨迹对材料去除影响分析  24-25
    2.4.2 超声振动磨削底面磨粒运动轨迹对材料去除影响分析  25-26
  2.5 本章小结  26-28
第3章氮化硅陶瓷纳米压痕试验及仿真研究  28-36
  3.1 引言  28
  3.2 氮化硅陶瓷纳米压痕试验  28-29
  3.3 氮化硅陶瓷纳米压痕试验静态仿真  29-33
    3.3.1 仿真模型建立及网格划分  29-30
    3.3.2 仿真参数的设定  30-31
    3.3.3 仿真结果分析  31-33
  3.4 超声振动压痕仿真分析  33-35
  3.5 本章小结  35-36
第4章氮化硅陶瓷超声振动磨削试验研究  36-47
  4.1 引言  36
  4.2 试验平台及试验设计  36-38
    4.2.1 加工试验平台及检测设备  36-37
    4.2.2 试验设计  37-38
  4.3 试验结果分析  38-46
    4.3.1 超声振动对加工表面质量的影响  39-40
    4.3.2 主轴转速对加工表面质量的影响  40-42
    4.3.3 磨削深度对加工表面质量的影响  42-43
    4.3.4 进给速度对加工表面质量的影响  43-45
    4.3.5 超声振动振幅对加工表面质量的影响  45-46
  4.4 本章小结  46-47
结论  47-48
参考文献  48-52
致谢  52

氮化硅陶瓷超声振动磨削机理及表面质量研究

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