氧化锆陶瓷超声辅助磨削材料去除机理试验研究

为研究超声振动作用对先进陶瓷磨削材料去除机理的影响,文章在超声振动方向垂直于磨削表面条件下,采用钎焊磨头对氧化锆陶瓷开展了超声辅助磨削(ultrasonic assisted grinding,UAG)试验。基于磨削表面微观形貌、磨削力和磨削比能分析,对变磨削深度条件下普通磨削(conventional grinding,CG)与超声辅助磨削的材料去除机理进行了对比。结果表明:当磨削深度低于10μm时,两种方法对应的表面材料去除机理均以塑性去除为主,且普通磨削表面伴有片层状破碎,而超声辅助磨削表面则存在尺寸细小的纹路状微破碎,同时磨削力与磨削比能也较低。当磨削深度超过10μm后,材料去除机理均转变为脆性断裂模式,且加工表面出现微裂纹,但相同条件下超声辅助磨削表面微裂纹尺寸较小。

超声预处理强化三乙醇胺对白云母助磨效果的作用机理

为阐明超声预处理强化三乙醇胺助磨白云母的作用机制,采用红外光谱、电导率和XRD等手段对超声预处理前后的三乙醇胺溶液及白云母超细磨产品进行了表征。结果表明,经超声预处理30 min的三乙醇胺作用后白云母超细磨产品的d90和d50分别减小了26.2μm和7.2μm,比表面积增大了1199 cm^(2)/g。超声预处理可促进三乙醇胺在溶液中的电离程度,并使溶液中羟基的比例发生变化,使得三乙醇胺溶液的电导率增大了1065μS/cm,多聚水及二聚水内羟基的比例增大了15.66个百分点,醇羟基的比例增大了1.15个百分点,从而促进了三乙醇胺溶液中的多聚水及二聚水与白云母表面的水合作用及醇羟基在白云母表面的吸附。上述作用使白云母表面的ζ电位负向增大了7.5882 mV,白云母粉体在料浆中更易分散,其超细磨产品的(001)等晶面衍射峰强度显著减小,(005)晶面发生宽化。当超声预处理三乙醇胺30 min时,白云母超细磨产品的晶粒尺寸和结晶度达到了最小值55.09%和37.41 nm,而微观应变和位错密度达到了最大值5.56%和0.71 nm^(-2)。与未超声预处理时相比,白云母超细磨产品的晶粒尺寸和结晶度分别减小了6.69%和3.69 nm,微观应变和位错密度则分别增大了0.9%和0.2 nm^(-2),从而强化了三乙醇胺对白云母的助磨效果。研究结果对超细白云母粉体的大规模工业湿法制备具有一定的借鉴意义。

球形纳米颗粒在镍基合金纳米流体微量润滑磨削界面摩擦学机制的分子动力学研究

以1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([BMIM]BF 4离子液)作为纳米流体基液,以氧化铝和铜纳米颗粒分别作为高硬度类和低硬度类球形纳米颗粒的代表,用分子动力学模拟方法研究了球形纳米颗粒在镍基合金纳米流体微量润滑磨削界面减摩抗磨的摩擦学机理,并进一步揭示了纳米流体在砂轮磨粒/工件磨削界面润滑成膜的摩擦学机制。研究结果表明,在镍基合金纳米流体微量润滑磨削加工中,砂轮磨粒/工件磨削界面形成了边界润滑膜。由于铜纳米颗粒硬度远低于砂轮磨粒及镍基合金工件,会在磨粒/工件界面出现压缩、剪切、铺展和分离等一系列摩擦学行为,并形成一层固体润滑膜,这层固体膜通过减小磨粒工件之间的直接接触面积来减小切向磨削力,相较于微量润滑工况可使切向磨削力减小4.6%。由于氧化铝纳米颗粒硬度高于镍基合金工件,故在磨削过程中仍能保持原本的球形纳米结构,会在磨粒/工件界面出现滑移、滚动和抛光三种摩擦学行为,抛光划痕可增大离子液体的浸润面积,并减小磨粒工件之间的直接接触面积,“类滚珠”的滚动行为可将磨粒工件之间的滑动摩擦转变为滚动摩擦,从而使切向磨削力较微量润滑工况减小6.6%。

单颗CBN磨粒超声振动辅助磨削AISI 304材料去除机理

为了解释超声作用下磨粒切削材料的去除机理,对单粒磨削过程进行了分析,建立了未变形切削厚度和磨粒与试件的固定速度比(vs/vw)的数学模型.在AISI 304试件上进行了固定速度比的普通磨削(conventional grinding,CG)、切向超声振动辅助磨削(tangential ultrasonic vibration assisted grinding,TUVAG)以及径向超声振动辅助磨削(radial ultrasonic vibration assisted grinding,RUVAG)的单颗粒试验.结果表明,在固定速度比条件下,试件在CG与TUVAG作用下都是以塑性变形的形式去除,但超声辅助显著提高了材料去除率.试件在RUVAG作用下材料的去除方式与未变形切削最大厚度agmax的值息息相关.agmax小于0.8μm时,试件表现为脆性断裂的形式去除;之后随着agmax逐渐增大,试件转变为塑性变形的形式去除.

旋转超声复合电解磨削加工技术在难加工材料中的应用

将旋转超声与磨削、电解作用有效复合,可以实现难加工材料、异形面零部件的精密且高效加工。设计了旋转超声复合电解磨削加工系统,对硬铝合金和铝基碳化硅颗粒增强复合材料(SiCp/Al)进行机械磨削、超声磨削及旋转超声复合电解磨削加工。分析了旋转超声复合电解磨削成形机理,研究了不同参数对加工精度、效率及表面质量的影响机制。进一步对旋转超声复合电解磨削加工系统进行了参数优化。结果发现:旋转超声复合电解磨削加工能有效减少切削力和发热,保证极间材料及时去除及电解液循环更新,增强了加工效果。当电压为3 V时,表面加工精度最好;采用优化参数,加工某型航空发动机叶片精度可达0.01 mm,表面粗糙度可小于0.80μm。结果说明旋转超声复合电解磨削加工方法具有显著技术优势。

超声振动螺线磨削表面微观形貌建模与仿真研究

为了实现高效率、高质量、低损伤的硬脆材料加工,对工件或砂轮同时施加砂轮轴向和径向的超声振动,该方法的显著特点是磨粒切削轨迹呈三维空间螺旋线型,将其定义为超声振动螺线磨削方法。在磨削工艺和二维超声振动的多参数共同作用下,材料去除机理产生复杂变化,表面微观形貌创出过程变得极其复杂。为此,提出一种超声振动螺线磨削加工表面数值仿真方法。基于超声振动螺线磨削几何映射关系,建立磨粒相对工件的空间螺旋线切削运动模型,进而给出超声振动螺线磨削加工表面生成模型,模拟出普通磨削和超声振动磨削的三维表面微观形貌,对比分析了超声振动对表面形成过程的影响规律。最后将仿真表面与磨削试验表面对比,发现两者微观形貌特征规律基本一致,验证了仿真方法的正确性和有效性。

AP超细球形粒子的制备与表征

通过立式搅拌磨球机,采用正反转交替研磨法制备了球形高氯酸铵(AP)粒子,分别用激光干法粒度仪、扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)和X射线衍射仪(XRD)对其粒度分布、形貌、分子结构和晶体品质进行了表征。用差示扫描量热仪(DSC)分析了球形化前后AP粒子的热分解性能,测试了AP粒子的撞击感度、摩擦感度和装填密度。结果表明,制备的AP粒子为球形,表面光滑,粒度分布集中,而球形化后AP粒子的结构组成和晶体结构未发生变化。与同粒度非球形AP相比,球形AP的热稳定性有较明显提高,撞击感度和摩擦感度分别降低32%和22%,装填密度提高35.6%。

氧化锆陶瓷材料的旋转超声加工

研究了用旋转超声加工的方法对氧化锆陶瓷材料进行磨削,探讨了旋转超声磨削的机理,并采用正交组合试验方法,进行了旋转超声磨削加工试验。通过试验探讨了工艺参数对表面粗糙度的影响,从而确定了一组最佳的磨削工艺参数。

TC4钛合金纵扭超声磨削力热耦合模型及其试验研究

为探究TC4钛合金纵扭超声磨削过程中的力热耦合机理,基于TC4钛合金纵扭超声磨削的磨削力模型、工件表面平均温度模型、质量热容计算表达式建立了其力热耦合模型,并对力热耦合作用下TC4钛合金纵扭超声单颗磨粒去除过程进行有限元仿真,分析磨削力、磨削温度的相互影响特性。理论与仿真研究发现,磨削区剧烈的温升会降低钛合金抵抗塑性变形的能力,抑制磨削力的增长速率。最后通过TC4钛合金纵扭超声磨削试验进行验证,结果表明,纵扭超声的引入能明显降低磨削力和磨削温度,磨削力和磨削温度的降低幅度分别达到19.39%和12.41%;磨削温度随着磨削深度、砂轮转速和工件进给速度的增大而升高,且随着磨削温度的升高磨削力增长趋势变缓;磨削力和磨削热的减小使工件表面塑性变形和犁沟两侧的塑性隆起高度减小;与普通CBN磨削相比,纵扭超声的引入对表面粗糙度的降低幅度可达到31.21%,在一定范围内增大超声振幅能显著提高加工表面的质量。

3个行波定子的2自由度球形超声波电机

提出一种基于3个行波定子的2自由度球形行波型超声波电机,给出了其结构及其驱动原理,重点介绍行波定子自动对心的自适应结构及其螺旋弹簧,该种结构可使每一个行波定子能柔顺地压紧球转子,可克服由3个行波定子的加工及其安装误差对电机产生的影响,保证每个定转子接触圆周之间的预紧力比较均匀一致。同时,给出了该种2自由度球电机的机械特性计算公式,并以极小范数解为优化目标等手段,分析了此球电机的性能特点。研制的球电机样机球转子直径40mm,堵转力矩达0.12N?m,空载转速90r/min,且各方向性能较一致。此球电机具有结构紧凑、安装方便和性能优越的特点,可用于机器人手腕、CCD云台控制等许多场合。

2自由度球形行波型超声波电动机的特性计算模型

理论和试验研究2自由度行波型超声波电动机的机械特性计算问题。分析2自由度行波型超声波电动机空间结构关系和定转子接触面的摩擦力。利用空间位置关系,计算得到了行波定子和球转子接触面上任一点的摩擦驱动力和摩擦阻力。根据运动稳定时行波定子轴向力平衡关系,推导给出2自由度球形行波型超声波电动机的特性计算解析式。通过研制的样机进行理论和试验分析,证实计算模型有效性和准确性,并分析各种电动机参数对输出机械特性的影响。研制的样机实现最大堵转转矩达0.10N·m,空转转速为90r/min左右。研究工作为下一步球形行波型超声波电动机的设计、优化和控制提供了理论基础。

聚晶金刚石电火花超声机械复合加工技术研究

聚晶金刚石具有优良的力、热、化学、声、光、电等性能,在现代工业、国防等领域中得到日益广泛的应用。但是,聚晶金刚石硬度高,耐磨性好,其成型加工非常困难,超声电火花机械复合加工技术是一种有效的加工方法。本研究在分析电火花超声机械复合加工原理的基础上,采用青铜结合剂金刚石砂轮实现了聚晶金刚石的超声电火花机械复合加工。实验分析了超声电火花机械复合加工过程工艺参数与加工效果之间的关系,结果表明,脉宽、脉间、峰值电流、超声振幅、开路电压等参数对复合加工过程工艺结果的影响程度较明显。

超声振动辅助磨削脆性材料去除机理

脆性材料塑性去除有利于提高加工表面质量。采用切向、轴向和径向超声振动辅助磨削加工方法,对烧结钕铁硼NdFeB永磁材料去除机理进行了试验研究,结合脆性材料去除脆-塑性转变临界条件,分析了不同超声振动辅助方式对材料去除机理的影响。分析得出以下结论:轴向超声振动辅助磨削加工过程中,材料主要以塑性剪切的方式去除;切向超声振动辅助磨削加工过程中,材料主要以塑性方式去除,同时伴有少量沿晶断裂;径向超声振动辅助磨削加工过程中,工件材料主要以断裂破碎的方式去除,而且加工表面残留裂纹。因而,轴向超声振动辅助磨削最有利于实现脆性材料塑性去除。

基于球形超声电机的仿生眼的设计和仿真（英文）

视觉系统是自主机器人的核心。为了实现类似人眼复杂运动的一些视觉运动,如目标跟踪、图像稳定和前庭动眼发射,我们设计了一套基于球形超声电机(SUSM)的,具有三个旋转自由度机器人仿生眼机构。球形超声电机具有结构紧凑,占空间小,响应快,定位精度高,低速时转矩大,磁场兼容性强等特点。因此基于球形超声电机的仿生眼可以有效解决机器人工作时的视觉不稳定问题。本仿生眼由三个背面粘有若干压电陶瓷片的环形定子和作为摄像头驱动器的球形转子组成。三个定子内的特制螺旋弹簧变形后产生三个相同的压紧力后,然后通过摩擦传动驱动转子振动。通过对本仿生眼虚拟样机的仿真,分析了其旋转速度、旋转力矩和响应时间等,从而初步证明本设计的合理性和有效性。

基于超声振动磨削与抛光技术的SiC反射镜加工工艺研究

针对航天用Si C反射镜在加工过程中的低加工效率、表面质量差等难题,在半精磨阶段采用超声振动磨削技术对其进行加工试验以研究其去除机理及存在的缺陷。为进一步解决超声振动磨削Si C反射镜存在的缺陷,在精加工阶段对其进行了抛光试验。通过采用正交试验的方法对影响Si C表面粗糙度的各工艺参数进行抛光试验设计及分析得到抛光压力、抛光盘转速、抛光液磨粒粒度及抛光时间对表面粗糙度的影响规律及其最优参数组合。研究结果表明在抛光压力40 k Pa,抛光盘转速400 r/min,抛光液磨粒粒度0.5μm,抛光时间2 h的最佳工艺参数下可获得表面粗糙度为21nm的加工表面。

基于超声振动端面微磨削的硬脆材料去除机理及实验平台研究

随着国防、机械等领域对硬脆材料微型元件的需求的增长,对硬脆材料去除机理的研究越来越受到众多专家的重视.本文基于单颗磨粒运动轨迹的分析对硬脆材料超声振动端面微磨削方式的去除机理进行研究.结果表明由于超声振动的引入,会形成断续磨削,有效降低磨削力和磨削温度,提高磨削效率,解决微加工现存的磨头易磨损、磨削热量大等缺点.在此理论研究基础上,根据超声振动端面微磨削加工的特点提出设计原则,进而提出实验平台整体设计方案,并针对关键部件进行有限元分析及优化.

响应面优化撞击喷射流空化-超声波-机械研磨协同提取葡萄籽原花青素工艺研究

以衡水当地葡萄籽为研究对象,利用撞击喷射流空化-超声波-机械研磨协同提取葡萄籽中原花青素。对液料比、空化-超声-研磨时间、空化-超声-研磨温度、撞击喷射流空化压力、超声波功率、乙醇体积分数、研磨转速对原花青素得率影响进行了研究。以单因素实验为基础,采用响应面法优化了撞击喷射流空化-超声波-机械研磨协同提取葡萄籽中原花青素的工艺条件。结果表明:最佳工艺条件为液料比35∶1、超声波功率400 W、研磨转速3500 r/min、空化-超声-研磨时间37 min、撞击喷射流空化压力0.48 MPa、乙醇体积分数53%、空化-超声-研磨温度56℃,在此条件下原花青素得率为7.11%。

超声ELID复合磨削砂轮表面氧化膜行为试验研究

根据电化学原理针对氧化膜的形成过程建立氧化膜形成的数学模型,为后续试验提供一定的理论依据。为探究超声ELID复合磨削对铸铁结合剂金刚石砂轮表面氧化膜的影响,以氧化膜表面的裂纹及坑洞的形态和氧化膜成膜厚度作为氧化膜表面形貌轮廓的特性指标,通过试验探究了在预修锐阶段砂轮转速、超声振动及ELID电参数对氧化膜成膜行为的影响,以及在动态磨削阶段砂轮转速、轴向进给量、磨削深度及磨粒粒度对砂轮表面氧化膜的形貌轮廓的影响。利用单因素研究方法分析各加工参数在动态磨削阶段对砂轮表面氧化膜成膜行为的影响,为以后定量控制氧化膜行为状态提供可靠依据。

工程陶瓷材料精密磨削加工技术的新发展

随着材料科学技术的进步,有关硬脆材料以及各种增韧、增强新型复合材料的精密、超精密磨削加工技术和材料表面成形技术成为当今世界各国研究的热点.文章介绍了陶瓷材料的结构和力学特性,陶瓷材料磨削机理和当前各种先进的精密磨削加工方法和超声磨削方法,为陶瓷材料加工的进一步发展提供了依据.

微纳米复相陶瓷超声振动磨削表面微观特性的试验研究

结合磨削表面X射线衍射定性分析与定量计算,研究了"晶内型"微-纳米复相陶瓷材料超声振动磨削表面层与基体之间的过渡层的微观结构.X射线衍射分析表明:二维振动磨削和普通磨削表面均以-αA l2O3和四方相Z rO2为主,存在少量的单斜相Z rO2,磨削表面无非晶相产生;磨削表层和基体之间的过渡层的X射线衍射峰具有半峰宽化现象,磨削表面和基体之间的过渡层是以晶格畸变为主的塑性变形层,细粒度砂轮二维超声振动磨削微-纳米复相陶瓷材料主要以塑性变形机理被去除.