K9玻璃磨削亚表面损伤深度预测模型及实验研究

基于压痕实验原理,建立了K9玻璃亚表面损伤深度预测模型。为获得预测模型中的未知参量,开展了K9玻璃磨削实验。利用激光扫描共聚焦显微镜检测工件磨削后的表面粗糙度值,利用扫描电镜检测磨削后的工件表面微观形貌和亚表面损伤层形貌,分析了工艺参数对表面粗糙度值和亚表面损伤深度的影响规律。考查了工艺参数对法向磨削力的影响规律,并根据实验数据,采用多元线性回归拟合法得到法向磨削力的经验公式,进而确定了亚表面损伤深度预测模型的参数。模型预测值与实验值具有较好的一致性,表明预测模型具有一定的可靠性。     

反复印压作用下光学玻璃的微裂纹交互作用研究

对超声振动辅助磨削加工中BK7光学玻璃材料表面及亚表面的微裂纹扩展过程中的交互作用进行研究,使用维氏金刚石压头进行了BK7光学玻璃二次印压实验来模拟超声振动作用影响下单颗磨粒对光学玻璃的反复印压作用,同时采用界面粘结法获得了不同印压载荷及印压距离下产生的压痕及微裂纹形态特征及分布情况。实验结果表明：在相同载荷加载情况下,第二次印压产生的亚表面中位裂纹扩展最大深度受到侧向裂纹影响减小了30μm,同时侧向裂纹闭合后在光学玻璃材料表面及内部产生破碎。基于压痕断裂力学理论,分析了准静态载荷作用下光学玻璃内部应力场的分布及应力场驱动下微裂纹的扩展机制,对超声振动效应影响下微裂纹扩展的交互作用进行研究。结果表明：磨削过程中使用轴向超声振动辅助,能够有效地降低光学玻璃材料亚表面裂纹的深度,改善亚表面及表面加工质量,同时促进了工件材料的去除。     

反复印压作用下光学玻璃的微裂纹交互作用

对超声振动辅助磨削加工中BK7光学玻璃材料表面及亚表面的微裂纹扩展过程中的交互作用进行研究,使用维氏金刚石压头进行了BK7光学玻璃二次印压实验来模拟超声振动作用影响下单颗磨粒对光学玻璃的反复印压作用,同时采用界面黏结法获得了不同印压载荷及印压距离下产生的压痕及微裂纹的形态特征及分布情况。实验结果表明:在相同载荷加载情况下,第二次印压产生的亚表面中位裂纹扩展最大深度受到侧向裂纹影响减小了30μm,同时侧向裂纹闭合后在光学玻璃材料表面及内部产生破碎。基于压痕断裂力学理论,分析了准静态载荷作用下光学玻璃内部应力场的分布及应力场驱动下微裂纹的扩展机制,对超声振动效应影响下微裂纹扩展的交互作用进行研究。结果表明:磨削过程中使用轴向超声振动辅助,能够有效地降低光学玻璃材料亚表面裂纹的深度,改善亚表面及表面加工质量,同时促进了工件材料的去除。     

光学玻璃超声振动磨削亚表面损伤的试验研究

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。     

碳化硅陶瓷的超声振动辅助磨削

采用普通磨削方式和超声振动辅助磨削方式对无压烧结SiC材料进行了磨削工艺实验,对不同磨削方式下磨削参数对磨削力比、表面损伤及亚表面损伤的影响进行了对比研究,并分析了超声振动磨削作用机制。实验结果显示,该实验中SiC材料去除主要以脆性去除为主,砂轮磨削力比随着磨削深度和进给速度的增加缓慢增加,随着主轴转速的增加略有减小;普通磨削时SiC工件亚表面损伤深度随着磨削深度、进给速度增加逐渐增加,而超声振动辅助磨削变化较小。与普通磨削相比,在相同的磨削参数下,超声振动辅助磨削的高频冲击使材料破碎断裂情况得到改善,且磨削力比减小近1/3,表面裂纹、SiC晶粒脱落、剥落等表面损伤较少,表面损伤层较浅,亚表面裂纹数量及深度都有较大程度降低,可以获得较为理想的表面质量。     

超声辅助磨削硬脆材料芯棒直径预测模型

超声辅助磨削是一种套料芯棒加工方法,而硬脆材料在超声辅助磨削加工过程中的去除模式主要为脆性断裂,这将导致加工出的芯棒直径与砂轮内径之间存在尺寸误差。针对上述问题,通过分析超声辅助磨削加工中砂轮表面金刚石磨粒的运动轨迹,运用压痕断裂力学理论建立了超声辅助磨削芯棒的直径预测模型。该模型考虑了脆性材料断裂时产生的侧位裂纹扩展对芯棒直径的影响。通过对K9光学玻璃材料进行超声辅助套料试验对模型进行了标定和验证,接着研究了进给速度和转速对芯棒直径误差的影响规律。通过对比研究发现,模型计算结果与试验结果吻合较好,误差小于5%,验证了模型的有效性。试验结果表明,采用适当的低转速和大进给速度可以有效降低超声辅助磨削芯棒直径的尺寸误差。本文所建模型可为超声辅助磨削套料芯棒的砂轮选择提供理论指导。     

径向超声振动辅助锯切光学玻璃

本文通过在锯切用超薄切割砂轮的径向上辅加超声振动的方法,对两种不同物理特性的光学玻璃进行锯切加工实验,探索了径向超声振动对光学玻璃锯切过程的影响。理论分析了超声振动锯切过程中的锯切力和锯切比能,给出了单颗磨粒在普通锯切与超声振动锯切时的切削路径。采用有无超声振动辅助锯切两种方式对K9玻璃和石英玻璃进行锯切实验,分析了超声振动对光学玻璃锯切力和锯切比能的影响。结果表明,相比于普通锯切方式,除了受到加工参数的影响外,超声振动辅助加工时K9玻璃和石英玻璃的锯切力减少幅度分别在30%~50%和50%~65%,锯切比能分别减少了30%~45%和50%~60%。径向超声振动辅助锯切使材料产生微破碎,具有减小锯切力和比能的作用,因此有利于提高光学玻璃材料锯切效率和改善加工质量。     

超声振动磨削氧化锆陶瓷表面损伤模型的实验研究

以压痕断裂力学模型和硬脆材料去除机理为理论基础,对氧化锆陶瓷的表面损伤进行研究,结合砂轮特征及磨削力公式建立了普通磨削和超声振动磨削的横向裂纹和表面破碎率模型,并对实验所得材料表面进行图像处理。结果表明：横向裂纹和表面破碎率随着磨削深度增大而增大,与普通磨削相比,超声振动磨削降低了45%裂纹长度,降低了23%表面破碎率,具有更完整的表面形貌特征。     

光学玻璃的激光微结构化砂轮精密磨削

为了降低大磨粒金刚石砂轮磨削光学玻璃时的亚表层损伤,利用纳秒脉冲激光对金刚石砂轮进行了表面微结构化加工,并采用该砂轮研究了光学玻璃的精密磨削加工。首先,计算了金刚石磨粒在纳秒脉冲激光辐射下的烧蚀阈值和激光束腰半径;然后,分析了纳秒脉冲激光在金刚石磨粒上加工的微结构形貌以及微结构化过程中的热损伤;最后,采用微结构化大磨粒金刚石砂轮进行光学玻璃的磨削实验,并分析了亚表层的损伤情况。实验结果表明:金刚石磨粒在纳秒脉冲激光辐射下的烧蚀阈值为0.89J/cm,激光束腰半径为17.16μm。在粒度为150μm的大磨粒电镀金刚石砂轮上可以实现结构尺寸为20μm的微结构表面加工。与传统金刚石砂轮相比,微结构化砂轮磨削后的光学玻璃亚表层损伤深度降低了40%,达到了降低光学玻璃磨削亚表层损伤的目的。     

超声振动修整CBN砂轮磨削硬脆材料的表面质量特性试验研究

采用经超声振动辅助机械修整后的CBN砂轮,对K9玻璃和高速钢进行磨削试验,获得超声振动修整CBN砂轮磨削硬脆材料试件的表面形貌特征,通过对硬脆材料试件磨削表面形貌的分析,表明硬脆材料表面磨削质量除业内公认的与砂轮的修整方式有关外,还与磨削参数及硬脆材料本身特性有着密切的关系。     

Sub-surface crack formation in ultrasonic vibration-assisted grinding of BK7 optical glass

Due to the inherent properties of high brittleness and low fracture toughness of optical glass materials, sub-surface cracks would be inevitably induced into the ultrasonic vibration assisted grinding process. Knowledge of the formation mechanisms of sub-surface cracks plays a key role in implementing high efficiency and precision machining of this kind of materials. In this work, the ultrasonic vibration assisted grinding experiments of BK7 optical glass were carried out. Processed by cross-sectional polishing and assisted by HF acid etching, quite a few sub-surface cracks with different shapes were observed beneath the machined surfaces. Categorized by the shapes and formation mechanisms, four kinds of sub-surface cracks (i.e., straight median sub-surface crack, arc median sub-surface crack, lateral sub-surface crack, and bifurcated sub-surface crack) and their corresponding formation mechanisms were both clarified. Experimental and analytical results suggest that the arc sub-surface cracks were formed by the relative shear stresses parallel to the plane of median crack frontiers, which are generated by nonsymmetric contacting between abrasive grains and glass specimen in ultrasonic vibration grinding. The bifurcation cracks were formed by the distortion in frontier fields caused by the impact effect provided by ultrasonic vibration as the abrasive grains vibrate down to the glass material. Effects of grinding and ultrasonic vibration parameters on the maximum depth of sub-surface cracks were also investigated in this work. The value of the maximum depth of sub-surface cracks showed a great dependence on the processing parameters.     

Theoretical model of brittle material removal fraction related to surface roughness and subsurface damage depth of optical glass during precision grinding

Brittle material removal fraction (BRF) is defined as the area fraction of brittle material removed on machined surface. In the present study, a novel theoretical model of BRF was proposed based on indentation profile caused by intersecting of lateral cracks. The proposed model is related to surface roughness and the subsurface damage (SSD) depth of optical glass during precision grinding. To investigate the indentation profile, indentation tests of K9 optical glass were conducted using single random-shape diamond grains. The experimental results indicate that the indentation profile is an exponent function. To verify the proposed BRF model, BRF, surface roughness and SSD depth of K9 optical glasses were investigated by a series of grinding experiments with different cutting depths. The experimental results show that BRF is dependent on surface roughness and SSD depth. The relationship between BRF, surface roughness and SSD depth is in good accordance with the proposed theoretical model. The proposed BRF model is a reasonable approach for estimating surface roughness and SSD depth during precision grinding of optical glass.     

轴向超声辅助端面磨削金属表面形貌及粗糙度预测

轴向超声辅助端面磨削被广泛应用于难加工材料加工,而磨削后的表面粗糙度对构件摩擦、疲劳等服役性能有重要影响。超声振幅的大小对轴向超声辅助端面磨削金属表面形貌和粗糙度有较大影响,但是现有模型中并未考虑实际加载对振幅的影响,因此提出了一种考虑加载状态下振幅变化的轴向超声辅助端面磨削金属表面形貌及粗糙度预测方法。根据砂轮粒度及尺寸建立了考虑磨粒随机分布的砂轮端面模型,并对轴向超声辅助端面磨削磨粒的三维磨削轨迹进行了数学描述,生成了加工后的表面三维数据矩阵并对表面粗糙数值进行了计算。在此基础上,研究了粗糙度随振幅的变化规律,提出了振幅衰减形貌映射系数这一概念,并给出了其标定方法。通过振幅衰减形貌映射系数近似计算出加载状态下的振幅并代入到所建立的轴向超声辅助端面磨削表面形貌及粗糙度预测模型中,实现了金属表面形貌模拟及粗糙度预测。最后,通过试验对所建模型的正确性进行了验证。     

一维斜向超声振动辅助磨削滚动轴承钢工艺及试验研究

针对目前只有一维轴向、一维切向等振动方向不变的一维超声振动辅助磨削的情况,首次提出了一维斜向超声振动辅助磨削工艺方法。利用MATLAB对一维斜向超声振动辅助磨削磨粒的运动轨迹进行了模拟分析。建立了超声振动试验系统的动力学模型。通过对超声振动工作台的模态分析,研制了一维斜向超声振动辅助磨削试验系统,对不同角度下超声振动辅助磨削滚动轴承钢的磨削力及表面粗糙度值进行了研究,探究了磨削力及表面粗糙度值随超声振动方向的变化规律。多次试验结果表明,超声振动角度为67.5°附近的表面粗糙度值明显优于其他角度的表面粗糙度值,磨削力也有减小。对正交试验结果的极差分析得出：当超声振动角度为67.5°、砂轮速度为20m/s、工件速度为0.5m/min以及磨削深度为4μm时,加工后的工件表面粗糙度达到最低值,其中工件速度是影响表面粗糙度的最重要工艺参数。     

轴向超声振动辅助磨削的磨削力建模

以单颗磨粒为对象,分析轴向超声振动下磨粒的运动特性。在此基础上,将磨削力分为切屑变形力和摩擦力两部分,分别分析了轴向超声振动对切屑变形力和摩擦力的影响。在切屑变形力方面,轴向超声振动改变了磨粒运动方向与主切削方向间的夹角;在摩擦力方面,轴向超声振动降低了磨粒与工件间的摩擦因数。基于此建立了轴向超声振动辅助磨削的磨削力模型。通过对21Ni Cr Mo5H进行了轴向超声振动辅助磨削的磨削力试验,确定了模型中的常数,并验证了所建模型的正确性。建立的磨削力模型是轴向超声振动辅助磨削的磨削力预测的一种有效方法,对轴向超声振动辅助磨削机理的认识具有较大意义。     

Ultraprecision surface finishing of nano-ZrO2 ceramics using two-dimensional ultrasonic assisted grinding

Based on the model of a grain cutting trace in workpiece during two-dimensional ultrasonic assisted grinding, microscopic cutting trace of the grain is analyzed, and the grain cutting trace of spiral line is defined, the motion model of the contact between single abrasive particle and workpiece in a vibration period is established during two-dimensional ultrasonic assisted grinding, and the results show that the grain motion mode of two-dimensional ultrasonic assisted grinding is similar to the rotary cutting mode. Grinding experiments on surface quality of nano-ZrO₂ ceramic are carried out using diamond grinding in different condition, both with and without ultrasonic vibration. Experimental results show that the surface quality after two-dimensional ultrasonic assisted grinding is superior to that after diamond grinding, and it is easier for two-dimensional ultrasonic assisted grinding as material removal mechanism employs ductile grinding mode.