陶瓷基复合材料超声振动辅助加工技术研究现状

陶瓷基复合材料具有高硬度、高强度、高耐磨性和耐腐蚀性等一系列优点,在航空航天、特种防护等领域具有极大的应用前景,同时陶瓷基复合材料的高精度高效率加工依靠传统机械生产方式难以实现。超声振动辅助加工技术在陶瓷基复合材料的深小孔、薄壁和复杂型面加工等领域应用日益广泛,并形成了特有的行业体系,是精密、超精密制造领域发展的重要方向。针对近年来陶瓷基复合材料的超声振动辅助加工技术的发展状况,概述了陶瓷基复合材料和超声振动系统的研究现状,系统介绍了陶瓷基复合材料加工领域超声振动辅助磨削、钻削以及旋转超声加工和微细超声加工的应用和研究现状,并对超声振动辅助加工技术的应用趋势进行了总结和展望。

旋转超声磨削加工中影响磨具寿命的结构参数优化

为了提高陶瓷基零部件的旋转超声磨削加工精度,降低磨具磨损造成的加工误差,建立了超声振动磨具寿命与磨粒粒度、浓度、磨具内圆直径等结构参数间关系的数学模型,对影响超声振动磨具寿命的结构参数进行了优化。首先,基于响应曲面法,建立了青铜基超声振动磨具二阶寿命模型,通过Box-Behnken实验对超声振动磨具寿命模型进行了拟合。然后,通过有效性和显著性检验,验证了所建立的超声振动磨具寿命模型。最后,通过拟合影响因子与超声振动磨具寿命关系的响应曲面和等高线,分析了各因素对磨具寿命的交叉影响,并优化了磨具的结构参数。结果表明:当磨粒粒度为D98.85、浓度为77.36、磨具内圆直径为5.34mm时,去除体积为9 600mm3、致密度为85%的Si3N4陶瓷材料后,磨具磨损量只有0.006 9mm,显示优化后超声振动磨具寿命可以达到旋转超声精密磨削加工要求。

硬脆材料的旋转超声辅助加工

光学玻璃、功能晶体、工程陶瓷等硬脆材料具有高强度、耐高温、耐磨损等优良的物理和机械性能,目前已被广泛应用于航空航天、汽车、军工等领域.但由于这些材料具有较高的硬度和脆性,难以用传统的加工方法进行加工,从而在很大程度上制约了这些材料的进一步推广和应用.旋转超声辅助加工技术由于其特殊的加工性能,具有切削力小、低切削热等优点,适应于各种硬脆材料的加工,因此得到了广泛的应用和迅速的发展,在硬脆难加工材料的制造领域已经占据了重要的地位.本文回顾了旋转超声辅助加工技术的发展历程和特点,介绍了旋转超声辅助加工的机理及工艺设备的研究进展,并对旋转超声辅助加工技术和设备的发展趋势进行了展望.

完全烧结氧化锆牙科陶瓷材料的旋转超声加工实验研究

针对口腔修复领域中大量应用的预烧结氧化锆陶瓷存在二次烧结加工工艺复杂、收缩率难以控制、断裂率高等问题,提出了采用旋转超声加工完全烧结氧化锆陶瓷的方法。开展了完全烧结氧化锆陶瓷的旋转超声加工和普通金刚石磨削加工实验,重点研究了主轴转速对磨削力、最大边缘碎裂尺寸及亚表面损伤特性的影响规律。通过对比分析得到,旋转超声加工不仅能降低磨削力,有效抑制完全烧结氧化锆陶瓷材料的边缘碎裂,同时明显减少了其亚表面微裂纹,是实现完全烧结氧化锆陶瓷口腔修复体低损伤加工的新途径。

陶瓷人工髋关节球超精密磨削加工微观纹理形成规律

陶瓷髋关节球是人工髋关节置换手术中重要的零件之一。为了实现对陶瓷髋关节球高效、高质量的加工,搭建了旋转超声辅助展成球面磨削装置。首先,介绍了旋转超声辅助球面磨削加工的基本原理。接着,针对装置的运动特性建立了磨粒运动学轨迹方程。结合运动学方程,对加工状态下的磨粒进行了运动学轨迹分析,深入研究了球面微观纹理的成形规律。最后,进行了超声辅助磨削陶瓷人工髋关节球实验。实验结果表明,在刀具转速为3 000 r/min,工件转速为2 011 r/min的加工条件下,面粗糙度平均值为96 nm,线粗糙度平均值为56 nm。当陶瓷球转速和砂轮转速互为质数时,球面表面的纹理分布更加均匀,这为加工参数的优化提供了重要的理论依据。

旋转超声振动端面磨削CFRP表面质量研究

以多向层铺树脂基碳纤维增强复合材料为研究对象,采用超声振动磨削和普通磨削对其表面加工质量进行了端面磨削试验研究。通过正交试验和单因素试验分析了各工艺参数对工件表面质量的影响规律,并由表面粗糙度及微观形貌进一步分析了磨削机理。试验结果表明:在超声磨削过程中提高主轴转速、减小进给速度,同时采用合适的切削深度和工具粒度,有助于获得高质量的加工表面;超声振动磨削和普通磨削后,工件表面均存在纤维丝断裂、剥离和凹坑等缺陷,超声振动磨削后的加工缺陷出现的程度和概率均较低,表面加工质量较好。

超声磨削工程陶瓷材料方法与机理的研究

在超声波加工工程陶瓷的理论基础上,提出了利用超声旋转磨削加工工程陶瓷的数控加工方法,对旋转超声磨削加工的工具进行了设计,分析了材料的去除机理,并对超声旋转磨削的加工机理进行了初步地探讨。

数控旋转超声加工机床研制及其工艺实验

硬脆材料的应用需求日趋强烈,旋转超声加工技术被视为其最佳的制造工艺手段之一,而国内旋转超声加工机床的核心技术相对滞后。针对三轴数控旋转超声加工机床进行了系统研究,提出了一种工具头振动和工作台振动的新型结构机床,并研制出一台旋转超声加工专机。该机床可实现超声磨削、超声铣削、超声钻削和传统的拷贝式超声加工等功能。在系统工艺实验的基础上,总结出了最优的工艺参数规律,并进行大量的验证性超声加工实验,加工出了陶瓷材料、磁性材料、大理石和玻璃材料等工件,形状特征包括复杂三维型腔、异形盲孔等,验证了该机床的良好性能。

超声磨削加工TiC-TB_2陶瓷表面质量试验研究

对高强度共晶复合TiC-TiB_2陶瓷进行了不同参数下的普通加工和超声旋转加工的对比试验,研究分析了超声旋转加工中不同加工工艺参数对加工工件表面质量的影响。实验结果表明:在同样的加工工艺参数下,超声旋转加工比普通加工的表面粗糙度值小,能获得更好的加工表面。在超声振动加工中由于砂轮做高频振动,不易堵塞,有利于使用细粒度砂轮。

一种新型旋转超声复合磨削头的研制

在分析传统超声波加工和超声波加工机床局限性的基础上,研制了一种新型的旋转超声复合磨削头,它可以安装在普通机床上,适用于硬脆材料及复合材料的加工。

工程陶瓷脆性域旋转超声磨削加工切削力研究

为了解决由于工艺参数取值范围和实验次数有限而造成的实验结果局限性,对工程陶瓷脆性域旋转超声磨削加工切削力进行了研究。在旋转超声磨削加工机理研究基础上,结合弹塑性力学和压痕断裂力学,采用动量定理和动能定理,推导了单个金刚石端面加工和侧面加工切削力计算公式,并建立了工程陶瓷脆性域旋转超声磨削加工切削力数学模型。最后通过实验对切削力数学模型进行验证,结果表明:切削力模型计算值与实验值误差低于8%,可满足工程应用,为工艺参数优化提供了依据。

旋转超声加工技术现状及发展趋势

旋转超声加工是在传统超声加工的基础上结合磨料磨削加工的一种新型复合加工方式,具有加工速度快、加工精度高、加工质量好、刀具磨损小等优点,是解决硬脆材料加工的有效方法,具有比较广阔的应用前景。论文结合近年来旋转超声加工技术的发展状况,综述了旋转超声加工的应用现状以及未来发展的趋势。

旋转超声振动磨削与加工表面质量的关系

对硬脆性材料实行旋转超声振动磨削加工,可以有效改善加工表面质量。分析了在旋转超声振动磨削过程中单颗磨粒的运动特性与加工表面质量的关系。在旋转超声振动磨削过程中,旋转振动磨削的周期往复作用及切削速度增大、作用时间缩短等运动特性,使得表面质量和加工精度得以提高。从工件的动态位移情况来看,在旋转超声振动磨削中,表面粗糙度有所降低,工件振动系统的刚性有所提高,这也有助于提高加工表面质量和精度。

Si_3N_4陶瓷旋转超声磨削加工中脆性域材料去除率研究

针对旋转超声磨削加工中脆性域材料去除,将磨粒简化为正四棱锥压头形状建立了加工过程中材料去除率模型,综合考虑了刀具旋转超声振动运动、刀具进给运动、刀具侧面加工和刀具底端面压痕断裂去除等因素。通过实验证明脆性域加工材料去除率理论计算值与实验结果值误差小于8%,为进一步研究材料去除率影响规律奠定了理论基础。