钨合金超声辅助划擦试验及仿真研究

目的揭示钨合金在超声辅助磨削加工下的材料去除行为。方法通过超声辅助划擦试验与有限元仿真相结合的方式,分析超声振动作用对材料表面形貌、截面轮廓、划擦力、温度、塑性应变及应变率的影响,探究超声振动作用下的材料去除和表面创成机理。结果钨合金在划擦过程中发生严重的塑性变形,在划痕两侧出现由耕犁作用而形成的隆起现象。超声辅助划擦形成的划痕表面鳞刺更少且未出现犁沟现象,且划痕深度相较于普通划擦增大14.1%,划痕宽度增大39%。随着划擦深度的增加,试验划擦力与仿真划擦力均线性增大,且仿真值与试验值误差为18.1%,验证了有限元仿真模型的有效性。超声振动作用下的划擦力呈周期性变化特征,使平均划擦力降低了43.2%。此外,仿真结果表明,超声辅助划擦相较于普通划擦,温度最高降低50%,表面塑性应变最高降低20%,超声冲击过程中材料的塑性应变率相较于普通划擦提高1个数量级,分离过程中塑性应变率最大降低2个数量级。结论超声振动作用可以有效降低划擦过程中的划擦力和划擦区域温度,增大冲击过程中材料的瞬时应变率,改善压头的切屑黏附现象,从而抑制划擦表面鳞刺的生成和犁沟的形成,改善表面质量。此外,超声振动作用还可以有效提高材料去除率。

钠钙玻璃的单磨粒变切深划擦表面完整性实验

以玻璃为代表的硬脆材料由于其高硬度、高脆性等特点,使其在加工过程中极易出现凹坑、脆性破碎及表面/亚表面裂纹等损伤,严重影响其使用性能和表面完整性。从单磨粒变切深划擦实验着手,研究在单磨粒划擦过程中速度变化对钠钙玻璃表面裂纹生成与扩展以及表面完整性的影响。结果表明:单磨粒变切深划擦实验能够实现磨削过程中的划擦、耕犁、切削3个阶段,且随着划擦速度增加,钠钙玻璃发生脆-塑转换的临界深度增加,划痕形貌及划痕边缘光滑度提升。

超声振动辅助下硬脆材料磨削划擦性能分析

以碳化硅陶瓷材料作为硬脆材料,设置不同划擦深度下的常规划擦方式与超声振动划擦方式测试。研究结果表明:设置超声辅助时发生了法向划擦力的大幅减小。将超声振幅提高到3.1μm时形成了比1.55μm更大程度的切向划擦力降幅。增大切入深度时,划擦力比持续升高,压头发生磨损会引起划擦力比的轻微降低。该研究有助于提高表面机加工效率,对进一步优化加工工艺起到一定的数据支撑意义。

单颗粒金刚石划擦Si_3N_4陶瓷的磨削力研究

为揭示磨削加工中砂轮单个磨粒对工程陶瓷划擦力的作用规律,利用单颗粒金刚石磨具划擦实验来模拟砂粒实际磨削过程。分析单颗粒金刚石的划擦力产生机理,认为划擦力是由磨粒对试件的挤压力和摩擦力构成。采用不同磨削刃顶锥角与尖端圆弧半径的自制金刚石颗粒,改变划擦深度与试件进给速度,探讨金刚石颗粒磨削刃特征、划擦实验参数对Si3N4陶瓷试件划擦法向力与切向力的影响。结果发现,试件法向划擦力随磨削刃特征参数和划擦用量增大而增加;切向划擦力随磨削刃尖端圆弧半径逐渐递减,与顶锥角和划擦用量保持递增关系。

单颗磨粒划擦SiCf/SiC陶瓷基复合材料的试验研究

为研究SiC纤维(SiCf)增强SiC陶瓷基复合材料(SiCf/SiC)的磨削损伤机理,搭建试验平台开展单颗磨粒划擦试验,测量划擦力并观察其表面损伤形式,研究磨粒形状、划痕深度和SiCf取向对复合材料磨削机理的影响。试验结果表明:SiCf/SiC陶瓷基复合材料的划擦损伤形式主要有基体崩碎、纤维裂纹、断裂和拔出等。在SiCf/SiC陶瓷基复合材料划擦过程中,尖锐状磨粒的划擦力更小,且整条划痕的表面损伤范围较扁平状磨粒的小。用扁平状磨粒划擦但纤维取向γ=0°时,划痕形貌中纤维断裂、纤维拔出等损伤形式出现较少。

单颗金刚石划擦Ta12W的试验研究

采用单颗钎焊单晶金刚石划擦Ta12W,跟踪观察了金刚石的磨损形貌,测量了划擦过程的力信号以及力比的变化,监测了磨损过程中的声发射信号变化,提取不同磨损阶段的声发射信号,进行频谱和功率谱分析.结果表明：划擦过程中金刚石的磨损可分为初期、稳定和剧烈磨损三个阶段,三个阶段的划擦力和力比明显不同.划擦声发射信号频谱主要分布在0-170 k Hz之间,功率谱峰值主频分布在7.8-27.3 k Hz之间,金刚石磨损的加剧使声发射信号峰值主频由高频向低频趋近,并且功率谱峰值随之增加.

不同圆角半径金刚石划擦单晶SiC过程中的材料去除机理研究

以单晶碳化硅(Si C)作为加工对象,通过不同尖端圆角半径的圆锥型金刚石磨粒划擦试验观察了单晶Si C的去除过程,并采用FEM与SPH耦合算法模拟仿真了三种不同尖端圆角半径的单颗磨粒划擦Si C过程中的材料去除过程,试验结果与模拟结果基本一致。在此基础上,采用仿真手段从最大等效应力和接触力的角度分析了三种不同尖端圆角半径对单晶碳化硅材料脆塑转变过程材料去除机理的影响。仿真结果表明:随着尖端圆角半径的增加,弹塑性变形-塑脆临界的转变点趋近于0.14μm,而且纯粹的塑性变形模式逐渐消失;脆塑临界去除模式所占的区域逐渐变长,由脆塑临界-脆性去除的转变点的深度也在不断变深;脆塑转变过程中的微裂纹的长度及粗细程度逐渐增加,材料破坏的形式也逐渐升级。

全方位离子注入与沉积TiN薄膜的纳米压痕和纳米划擦行为

用等离子体浸没离子注入与沉积(PIIID)复合改性技术在AISI52100轴承钢基体表面合成了高硬耐磨的TiN薄膜。膜层的相组成及其表面形貌分别用X射线衍射(XRD)和原子力显微镜(AFM)表征。合成薄膜前后试样的力学性能经纳米压痕和划痕实验评价。XRD结果表明,膜层中主要存在TiN相,择优取向(200),同时含有少量TiO2和钛氮氧的化合物。AFM形貌显示出试样表面TiN呈定向排列,膜层均匀完整,结构致密。纳米压痕测试结果表明,膜层具有较高的纳米硬度和弹性模量,最大值分别达到22.5和330 GPa,较基体分别增长104.5%和50%。根据纳米划痕形貌和划痕深度随划痕位置的变化关系分析出,薄膜在纳米划擦过程中先后经历了弹性变形,弹塑性变形,加载开裂或卸载剥落三个阶段。划擦剥落抗力达到80mN,表明TiN薄膜具有很好的弹性恢复能力和较强的疲劳剥落抗力。

单颗粒金刚石划擦工程陶瓷的断裂强度研究

为揭示磨削加工中砂轮单个磨粒对工程陶瓷断裂强度的作用规律,利用单颗粒金刚石磨具划擦模拟砂粒实际磨削过程。采用不同顶锥角与尖端圆弧半径的自制金刚石颗粒,改变划擦用量和冷却工况,划擦几种典型陶瓷材料表面并分析颗粒划擦作用对试件断裂强度的影响。结果发现,试件划擦后断裂强度随磨粒顶锥角和尖端圆弧半径的增大而提高;随工作台进给速度和划擦深度增加逐渐降低;与湿式划擦相比,干式划擦使陶瓷试件断裂强度趋于劣化。该变化规律符合磨削加工对试件强度特性的影响机制,证明单颗粒金刚石划擦试验的有效性。

金刚石磨粒划擦无氧铜的声发射信号研究

为研究无氧铜的切削机理,通过单颗金刚石磨粒划擦无氧铜的声发射试验,采集了划擦过程中的声发射信号,得到了不同划擦速度、切深和进给速度下的声发射信号特征,分析了不同划擦参数对声发射信号特征参数、频谱和功率谱等的影响。研究结果表明:切深对金刚石磨粒划擦无氧铜的声发射信号影响最为显著,划擦速度和进给速度对声发射信号的影响不明显;声发射主频主要集中在0 kH^170 kHz,切深的增加使声发射信号功率谱主频由高频向低频呈现转化趋势。

单晶铜表面划擦过程模拟

应用分子动力学模拟技术模拟刚性针尖在单晶铜表面的划擦过程,探讨在微观领域材料的摩擦磨损特性,为进一步探讨纳米摩擦模拟技术及微观领域材料特性奠定基础.模拟结果表明,在材料微观划擦机理中,针尖的摩擦阻力来自于基体表面位错的堆积,同时,位错在基体中的传播速度对摩擦阻力也有影响.

类金刚石碳膜的纳米划擦行为及其加载-卸载效应

用射频等离子体增强化学气相沉积方法在硅片上制备了类金刚石碳膜．利用纳米压入仪的划痕附件研究了薄膜的纳米划擦行为．结果表明：在划擦过程中，随载荷增加，薄膜先后经历弹性变形、弹塑性变形、加载开裂及卸载剥离三个阶段．在连续加载直至薄膜开裂的过程中薄膜未发生剥落，卸载后薄膜与基体变形恢复不同步，发生薄膜从基体上的脆性肃落．纳米划擦实验不仅能在加载阶段获得表证薄膜内聚强度的临界载荷．而且能检测卸载过程中薄膜附着抗力有关的临界载荷．是评价类金刚石薄膜划擦抗力的有效手段之一。

单颗金刚石磨粒划擦20CrMnTi材料的划擦力研究

利用单颗金刚石磨粒划擦20Cr Mn Ti齿条试件试验来模拟成形磨削砂粒的磨削过程,采集了划擦过程中的划擦力,分析了划擦法向力和切向力信号的变化趋势,改变划擦深度与进给速度,探讨划擦深度与进给速度对划擦力的影响,研究不同磨粒粒度下的划擦力变化。结果表明:单颗金刚石磨粒划擦20Cr Mn Ti试件时的划擦法向力为驼峰形,而切向力波动更频繁;单颗磨粒的滑擦力随着滑擦深度、进给速度的增大而单调递增;相同条件下磨粒受到的划擦力随着磨料粒度号的增大而减小。

单颗磨粒划擦SiC_(f)/SiC复合材料试验研究

为研究纤维增强SiC陶瓷基复合材料磨削机理,进行单颗磨粒划擦试验。搭建试验平台,采用电镀后的单颗金刚石磨粒划擦SiC_(f)/SiC复合材料,实时采集划擦力。利用SEM图像对材料去除后的表面与存在的表面损伤形式进行表征,从而揭示磨粒形状、划痕深度与SiC纤维取向对磨削机理的影响。试验结果表明,SiC_(f)/SiC复合材料划擦过程中,扁平状磨粒产生的法向划擦力明显大于尖锐状磨粒,而纤维取向对划擦力影响较小。SiC_(f)/SiC复合材料的加工形态从韧性到脆性转变主要取决于切削深度,大部分延性域加工出现在扁平磨粒和纤维取向γ=0°情况,且脆延性转变切削深度在3μm之内。

金刚石磨粒划擦Ta12W的声发射特征与建模

采用声发射技术监测单颗金刚石磨粒划擦Ta12W,提取磨粒磨损过程中的声发射时域信号并进行功率谱分析,建立磨损过程声发射时间序列AR模型。研究结果表明:金刚石磨粒的磨损随工件材料去除体积的增加呈阶段性变化,磨损的加剧使声发射时域信号振幅和功率谱主频峰值随之增加,主频段由高频向低频趋近。磨粒的磨损与声发射特征参数值和AR模型参数值分别呈线性正效应和负效应关系,声发射信号的AR模型能较好地实时映射金刚石磨粒的磨损特性。

单颗磨粒划擦陶瓷声发射信号与材料去除体积关系研究

针对硬脆难磨削的氧化锆和氧化铝两种工程陶瓷,研究其磨削表面创建的声发射监测,研究单颗金刚石磨粒划擦陶瓷材料的去除体积与其对应的声发射信号之间的关联.试验结果表明:随着单颗磨粒划擦陶瓷去除体积的增大,其声发射信号在低频段的信号能量占比增大;声发射信号的均方根值、最大幅值和标准差等特征值增大,且这两种陶瓷材料单颗磨粒划擦声发射信号特征值的增大趋势不同;但这些声发射信号的特征值大小都与其对应的陶瓷材料去除体积有关.同时单颗磨粒划擦陶瓷的声发射信号的时间序列自回归AR(2)模型可以表示其对应的声发射信号.时间序列自回归AR(2)模型特征参数的绝对值都随划擦陶瓷去除体积增大而增大,且增大趋势与其声发射信号特征值的增大趋势相似.为工程陶瓷磨削表面创建的声发射在线监测打下了基础.

单颗金刚石磨粒划擦玻璃的力特征与建模

通过单颗金刚石磨粒划擦玻璃,提取并分析了划擦过程的力信号,建立了划擦力信号的时间序列模型。确定了划擦法向力和切向力的时间序列阶数和参数,建立了合适的划擦力时间序列模型。研究结果表明:划擦力曲线不沿划痕呈对称分布,划擦力出现波动变化特征;合适的划擦力时间序列模型可较好地揭示划擦力特征。

生产优良耐划擦性聚酯薄膜的方法

介绍了日本几家公司提高薄膜耐划擦性 ,生产高档聚酯薄膜的方法。

单颗金刚石磨粒划擦岩石的力特征研究

采用单颗磨粒划擦方式对三种花岗石(G603、G657、G654)和一种砂岩(SS)进行切削实验研究,监测切削过程划擦力信号,分析了不同划擦参数下的划擦力变化趋势。结果表明,单颗磨粒划擦切削作用下,四种岩石的切向划擦力和发现划擦力都随着划擦线速度的增大而减小,随着划擦深度的增大而增大,随着工件进给速度的增大而增大。总体而言,花岗石的划擦力明显高于砂岩,这与这两类岩石的形成差异有关。对于花岗石而言,划擦力与其硬度和晶粒粗细没有必然联系,采用单颗磨粒划擦方式很难对其可加工性区分。

单颗磨粒干涉划擦过程的材料回弹分析

在实际的磨削加工中,由于被加工材料在加工过程中会发生弹塑性变形,材料在被磨削后会有一定程度的回弹,这一现象会影响磨粒在划擦过程中切削厚度的分布,这便是磨削加工中的材料回弹现象。旨在通过划擦实验研究手段来探究回弹的规律及本质。通过划擦实验分析了划擦过程中的划擦力和力比随划擦深度和压头大小的变化规律,以及材料弹塑性回弹所产生的回弹比随划擦深度和压头大小的变化规律。