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基于半固着磨粒磨具加工的材料去除机理研究

作　者: 华钱锋
导　师: 袁巨龙
学　校: 浙江工业大学
专　业: 机械工程
关键词: 半固着磨粒磨具表面形貌表面粗糙度材料去除率材料去除机理
分类号: TG580
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

随着信息技术、电子技术、航空航天技术的发展,对加工技术的要求越来越高,对高效高精度低表面损伤的加工需求越来越多。现有的磨粒加工方法,按磨粒分布形式,可分为固着磨粒加工和游离磨粒加工。这些方法均无法实现高效高精无损伤的加工要求。在固着磨粒的加工中,磨粒是被结合剂完全束缚的。而在游离磨粒加工中,磨粒是完全自由的,处于无约束状态。本文提出了一种新的加工方法,半固着磨粒加工方法。半固着磨粒加工中磨粒的约束状态是介于完全约束和完全自由之间的。在加工的过程中,磨粒可以在一定的范围进行位置的调整。使参与加工的磨粒数量多,同时单颗磨粒上的加工压力小,故能在保证较好的加工精度的同时,保持较高的加工效率。如果在加工过程中混入硬质大颗粒,在加工压力的作用下硬质大颗粒会下陷到磨具内部,这样就能减缓大颗粒带来的表面损伤。本文基于半固着磨具,对硅片等陶瓷材料去除机理展开了实验研究。综合运用多种测试仪器,研究了半固着磨粒磨具的主要特性。采用纳米压痕技术对磨具表层特性进行了测试得到了表层磨粒在加载时的“加载—位移”特征。通过实验研究了半固着磨具与工件的接触特性,对实验参数进行了设计,实验研究了工艺参数对材料去除率和表面粗糙度的影响。通过对比游离磨粒和半固着磨具加工硅片,综合SEM、AFM等试验手段,对研磨加工的表面损伤进行了分析,得到了半固着磨具加工时材料去除的主要方式。论文的主要工作和研究成果如下:(1)综合运用多种试验方法,研究了半固着磨粒磨具的主要特性:在相同磨料质量百分比下,半固着磨具中磨料粒度号越大,其表面硬度值越小;磨料质量百分比为65 wt%半固着磨具的抗剪强度最强;在相同磨料质量百分比下,半固着磨具中磨料粒度号越大,其抗剪强度越小;磨料质量百分比为65 wt%半固着磨具的密度最高;采用SEM观测可知,磨料质量百分比为65 wt%半固着磨具中的磨粒和气孔分布较好,半固着磨具的弹性模量随着磨具中磨粒粒度号的增加而减小。(2)纳米压痕测试结果表明:表层结合剂在加载时发生弹塑性变形,当外加载荷达到结合剂屈服极限时,结合剂进入屈服阶段。表层磨粒受力时发生位置迁移,磨粒上所受到的力和其位移之间的关系可以由纳米压痕仪测出。(3)运用SEM等手段观测发现,半固着磨粒磨具的表面形貌是很不平整的,存在着很多突出的高峰。半固着磨粒磨具与工件接触试验表明,当载荷变大时,高峰会产生流动,磨具与工件之间的接触面积会随着载荷的增大而增大。(4)通过试验得出了载荷、转速、流量对材料去除率和表面粗糙度的影响结果:载荷越大,材料去除率越高,随着加工载荷的增加,表面粗糙度逐渐增加;磨具转速从20rpm提高到60rpm时,材料去除率呈直线上升,表面粗糙度则略有上升;当研磨液流量低于50ml/min时,随着研磨液流量的增加,去除率逐渐增大,表面粗糙度则逐渐降低。(5)进行了半固着磨粒磨具加工实验,并与同工艺条件下游离磨粒加工进行了对比,综合SEM、AFM等试验手段,对研磨加工的表面损伤进行了分析,得到了半固着磨具加工时材料去除的主要方式二体磨损形式去除,SSB-2半固着磨具对工件进行了延性切削,最后通过实验验证了半固着磨具能实现陶瓷材料的高效高精加工。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-11
第一章绪论  11-20
  1.1 课题背景  11-12
  1.2 先进陶瓷超精密研究现状  12-15
  1.3 半固着磨粒加工技术  15-17
  1.4 陶瓷材料的去除机理研究现状  17-18
    1.4.1 材料的脆性去除机理  17
    1.4.2 材料的粉末化去除机理  17
    1.4.3 材料的塑性(延性)去除机理  17-18
  1.5 课题来源  18-19
  1.6 本论文的研究目的、意义和内容  19-20
    1.6.1 研究目的、意义  19
    1.6.2 研究内容  19-20
第二章半固着磨具特性  20-33
  2.1 引言  20
  2.2 磨具表面硬度  20-23
  2.3 抗剪强度  23-25
  2.4 磨具组织  25-27
  2.5 半固着磨粒磨具微观组织结构  27-28
  2.6 弹性模量  28-31
  2.7 本章小结  31-33
第三章半固着磨具压痕试验和表面形貌检测  33-46
  3.1 引言  33
  3.2 纳米压痕试验原理  33-36
  3.3 压痕实验  36-40
    3.3.1 实验条件  36-37
    3.3.2 实验步骤  37-38
    3.3.3 实验结果  38-40
  3.4 表面形貌检测  40-44
    3.4.1 磨具形貌检测方法  40-41
    3.4.2 磨具表面形貌检测  41-44
  3.5 半固着磨具与加工工件的接触形式  44-45
  3.6 本章小结  45-46
第四章基于半固着磨具加工的材料去除率和表面质量的实验研究  46-58
  4.1 实验设备  46-47
  4.2 实验目的和检测方法  47-48
    4.2.1 表面粗糙度检测  47-48
    4.2.2 材料去除率检测  48
  4.3 实验工艺参数优化设计  48-52
    4.3.1 优化工艺参数实验  48-50
    4.3.2 实验结果分析  50-52
  4.4 实验工艺参数对加工效率的影响  52-54
    4.4.1 载荷对去除率的影响  52-53
    4.4.2 转速对去除率的影响  53-54
    4.4.3 流量对去除率的影响  54
  4.5 实验工艺参数对加工质量的影响  54-57
    4.5.1 载荷对表面粗糙度的影响  54-55
    4.5.2 转速对表面粗糙度的影响  55-56
    4.5.3 流量对表面粗糙度的影响  56-57
  4.6 本章小结  57-58
第五章半固着磨粒磨具加工的材料去除机理研究  58-72
  5.1 引言  58
  5.2 硅片纳米压痕测试  58-59
  5.3 半固着磨具加工材料去除模型  59-61
  5.4 半固着磨粒磨具与游离磨粒、固着磨具的对比实验  61-63
  5.5 材料去除机理分析  63-68
  5.6 半固着磨粒磨具的应用  68-70
  5.7 本章小结  70-72
第六章总结与展望  72-74
参考文献  74-78
致谢  78-79
攻读工程硕士期间参加的科研项目和学术论文  79

基于半固着磨粒磨具加工的材料去除机理研究

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