C/SiC复合材料的制备及加工技术研究进展

碳纤维增强碳化硅陶瓷基(C/SiC)复合材料由于其强度高、硬度大、耐磨损,被广泛应用于工业、航空航天等领域,然而C/SiC复合材料难以被稳定地去除加工。本文综述C/SiC复合材料的常见制备方式及其材料的性能特点。概述C/SiC复合材料的传统机械加工、超声辅助加工、激光加工等加工方法,分析了各种加工方法的材料去除机理、加工精度、常见缺陷及加工过程中存在的问题。传统的机械加工需进一步优选切削刀具材料;超声辅助加工需探究超声振动的刀具与材料之间的耦合作用机制、振动作用下的材料去除机理;激光加工要进一步研究2.5维及3维C/SiC复合材料的激光加工去除机理。在这些研究的基础上进一步采用复合加工的方法,探寻C/SiC复合材料高效、精密、稳定和无损加工的可能性。

蓝宝石超精密研磨加工研究进展

为实现蓝宝石的高效低损伤研磨加工,提高蓝宝石研磨加工的成品率,对现有的蓝宝石研磨加工方法和工艺进行总结和研究。针对蓝宝石材料性能,分析蓝宝石的研磨加工特性;阐述超精密研磨技术和蓝宝石的研磨技术机理。综述蓝宝石传统游离磨料研磨和固结磨料研磨的加工方法及国内外的研究进展,同时介绍双面研磨和固结软磨料的原理及其在蓝宝石研磨中的应用现状,对目前蓝宝石各种研磨加工方法的优缺点进行比较,并就这一方向的深入研究工作做展望。

纳秒激光加工2.5维Cf/SiC复合材料的烧蚀孔洞特征

针对新型材料2.5维碳纤维增强陶瓷基(Cf/SiC)复合材料采用传统机械加工难以去除加工的问题,采用纳秒激光烧蚀2.5维Cf/SiC复合材料,烧蚀后采用扫描电子显微镜观察其烧蚀孔洞形貌特征,并分析其烧蚀去除机制,讨论激光加工参数对烧蚀孔径的影响。研究表明,Cf/SiC复合材料的激光烧蚀区域出现烧蚀孔洞、重凝、纤维断口、末端气胀,以及长轴与纤维方向一致的椭圆形材料性能变化区域等烧蚀现象;激光烧蚀Cf/SiC复合材料过程中存在氧化的化学变化现象;烧蚀产生的孔径随烧蚀功率的增加和烧蚀时间的延长而增大,烧蚀时间和烧蚀功率均较大时,可能存在烧蚀孔洞被重凝材料堵塞或部分堵塞的情况。计算出纳秒激光的束腰半径为223μm,纳秒激光烧蚀Cf/SiC复合材料的烧蚀阈值为0.32 J/cm^2。

基于旋转声发射的非球面超精密磨削在线监测研究

为探索旋转声发射(AE)在线监测技术在非球面超精密磨削加工中的监测能力,以单晶硅和多光谱CVD硫化锌两种硬脆材料为研究对象,通过非球面磨削正交试验设计,基于旋转声发射传感器研究磨削加工参数对声发射信号幅值的影响规律,探索声发射与超精密磨削加工质量之间是否存在对应关系。研究表明,通过硬件滤波和增强后的声发射均方根值可实现对超精密磨削加工过程的监测,但无法实现对超精密磨削后非球面表面粗糙度的准确预测。

非球面垂直磨削法的砂轮误差分析与实验研究

针对垂直磨削法中砂轮误差对超精密磨削非球面加工质量的影响,通过对多种砂轮误差的逐一理论分析,阐述了各种砂轮误差对非球面磨削加工质量的影响状况,并对部分砂轮误差进行校正和补偿,以提高磨削加工质量。最后,通过非球面磨削加工实验验证了砂轮误差补偿的正确性。该研究为非球面超精密磨削加工中砂轮误差的补偿提供技术参考。

Ti-6Al-4V锻件与粉末冶金材料切削力研究

钛合金是典型的难加工材料,粉末冶金技术的应用能够明显减少钛合金材料的切削加工工序。对比Ti-6Al-4V锻件的切削力,研究Ti-6Al-4V粉末冶金材料切削力的波动特点及数学模型。Ti-6Al-4V粉末冶金材料的切削力不仅出现周期性的波动,而且存在剧烈的微波动。采用正交试验建立Ti-6Al-4V锻件和粉末冶金材料的切削力数学模型,经过检验,其模型能够准确地预测切削力的变化趋势。由两种材料的切削力数学模型得到:在切削Ti-6Al-4V锻件时,切削速度对3个方向切削力的影响最大;在切削Ti-6Al-4V粉末冶金材料时,进给量对进给抗力和主切削力的影响最大,而切深抗力受到切削速度的影响最大。

单颗磨粒磨削实验及其数值模拟的研究进展

单颗磨粒磨削是研究复杂磨削机理的重要手段,本文从单颗磨粒磨削过程和磨粒形状的角度阐述了磨削基础理论;概述了国内外学者以实验研究单颗磨粒的材料去除、切削力行为;基于数值模拟,探讨了不同工艺参数对单颗磨粒磨削力、磨削温度、工件表面质量的影响规律。最后就这一方向的深入研究工作做了展望。

基于单颗粒刻划的硫化锌材料去除机理研究

针对目前红外硫化锌非球面光学透镜超精密加工效率低、成本高的问题,基于单颗粒刻划仿真和实验研究硫化锌材料超精密磨削的可能性。通过仿真研究不同加工参数及压头形状对材料内部应力的影响,结合金刚石单颗粒刻划实验,观察划痕表面形貌和亚表层损伤,分析探讨材料的磨削去除机理及亚表层的完整性,结果表明:硫化锌材料可实现塑性域机械去除,亚表层损伤的主要形式为位错,且高速、细粒度的金刚石砂轮更容易获得稳定的塑性域去除。

曲面磨削表面微观形貌建模方法研究

针对现有磨削表面微观形貌建模方法仅对某一类特定零件有效,提出了一种适用于空间曲面零件加工的磨削形貌建模方法。基于曲面磨削加工原理,建立砂轮坐标系与曲面零件坐标系之间的齐次变换矩阵,获得磨粒的三维运动轨迹方程。通过提出曲面区域逼近求解算法,建立曲面磨削表面微观形貌预测模型。并以展成法磨削齿轮和磨削轴承内套为例,得到两类实验与仿真结果之间的误差最大为11.338%和18.91%,验证了本文提出的预测模型的有效性与科学性。

单晶硅非球面超精密磨削砂轮的性能参数优选

针对轴对称单晶硅非球面超精密磨削中砂轮选择的问题,依据单晶硅红外非球面透镜的结构特性,对几种典型碟片砂轮的结构特性和磨损特性进行分析,优选圆弧形金刚石砂轮作为垂直磨削法磨削单晶硅非球面透镜用砂轮。通过磨削加工实验,研究砂轮各性能参数对非球面磨削加工质量(表面粗糙度、表面形貌、亚表层损伤厚度、面形精度)的影响,优选出D64粒度金刚石砂轮为单晶硅非球面粗磨用砂轮,浓度号为C100、截面圆弧半径为6 mm、粒度为D3的金刚石砂轮作为单晶硅非球面精磨用砂轮。

纳秒激光修整粗粒度金刚石砂轮及其磨削性能研究

利用脉冲光纤激光对粗粒度青铜金刚石砂轮进行切向整形与径向修锐,并用修整后的砂轮磨削硬质合金工件,对不同磨削阶段的砂轮磨损形式和磨削比、工件表面粗糙度进行研究。结果表明:经激光整形后,砂轮圆跳动和平行度误差分别由83.1、324.6μm下降至6.8、3.8μm;与用碳化硅砂轮修整相比,经激光修整后砂轮表面磨粒的脱落更少、等高性更好、出刃高度更合适;当累计磨削深度达到10、20、30 mm时,砂轮磨损形式为磨粒磨耗和脱落磨损、以磨粒磨耗磨损为主并伴有磨粒脱落和结合剂磨耗磨损、磨粒脱落和磨耗以及结合剂磨耗磨损,砂轮磨削比约为205.4、405.1、96.0,工件表面粗糙度为0.314、0.337、0.454μm。

砂轮表面形貌定量评价及修整效果研究

基于砂轮表面磨粒出刃面积,提出砂轮表面磨粒出刃面积率Sr的概念,在此基础上提出磨粒出刃度βd和磨粒出刃面积分散度δs两个指标来评价砂轮表面形貌特征。用滚轮修整器对树脂结合剂金刚石砂轮进行修整实验,分析了不同修整方式、修整深度和修整速比对βd和δs的影响。采用修整后的砂轮进行磨削实验,分析了不同特征参数的砂轮对磨削力和工件表面粗糙度的影响。研究结果表明,采用较小的修整深度、较小的修整速比,多次进给修整砂轮时,磨粒出刃度高、磨粒出刃面积分散度小,修整效果好。当βd为69.35%、δs为1 000μm2时,磨削力、表面粗糙度最小,表明砂轮磨削性能最好,证明修整质量最高。因此所提出的βd、δs两个指标能对修整后的砂轮表面形貌进行有效评价,且磨粒出刃面积的检测方法简单,检测效率较高。

砂轮表面形貌检测方法的研究进展

砂轮表面形貌特征是砂轮磨削性能的主要决定因素。准确地检测砂轮表面形貌不仅有助于进一步认识磨削机理,更是砂轮表面形貌建模和磨削仿真不可或缺的先决条件。本文中总结了典型的砂轮表面形貌检测方法,概述了各检测方法的基本原理,并分析了它们的优势和不足。最后,分析了国内外砂轮表面形貌检测方法的发展现状,指出了现阶段存在的问题,展望了砂轮表面形貌检测方法的发展前景。

多光谱CVD硫化锌材料的磨削去除机理

为了探究红外光学材料多光谱CVD硫化锌的磨削加工去除机理,对抛光后的多光谱CVD硫化锌材料进行显微压痕和金刚石单颗粒刻划实验研究,并采用金刚石砂轮对材料进行磨削加工。实验研究表明,多光谱CVD硫化锌材料在机械去除过程中出现了弹性和塑性变形现象,萌生的裂纹和破碎主要沿晶界、刻划方向、磨削纹理方向扩展,小的压力可抑制裂纹的萌生和扩展,采用尖头金刚石颗粒可获得破碎和裂纹更少的表面,采用垂直磨削法,磨削后形成了自中心至外缘呈周期性、散射状的磨削纹理。本研究可为多光谱CVD硫化锌红外透镜的精密、超精密加工提供技术依据。

单颗磨粒磨削仿真研究进展

概述了传统磨削仿真的基本方法及发展过程,总结了磨粒模型和工件模型的研究现状,具体分析了有限元法、光滑流体粒子动力学法、分子动力学法以及综合仿真方法等应用于单颗磨粒磨削材料的去除机理、成屑机理、工件表面质量以及磨粒磨损等仿真中的研究现状,最后阐述了各类仿真方法的局限性,并提出了单颗磨粒磨削仿真进一步的发展前景。

激光钎焊制备金属结合剂金刚石砂轮研究进展

金属结合剂金刚石砂轮因其具有高强度和高硬度等特性广泛用于脆、硬、高强韧性材料的精密磨削加工中。激光钎焊制备金属结合剂金刚石砂轮是一种先进的制备工艺。在激光钎焊制备过程中金刚石磨粒、结合剂、基体三者间能够实现良好的冶金结合,通过工艺参数的优选能够有效避免磨粒的损伤,获得较好的钎焊结果。综述了钎料成分、钎焊界面微结构、激光工艺参数对钎焊性能的影响规律,总结出激光钎焊多层有序化砂轮的基本原理以及需要进一步研究的方向。

激光钎焊多层金刚石磨粒Ni-Cr合金成形工艺研究

为实现多层金刚石磨粒逐层激光钎焊成形,从单道扫描到单层扫描,再到多层扫描,系统研究了镍铬合金与金刚石磨粒的多层激光钎焊工艺。通过提取钎焊道与层的截面成形特征参量,对钎焊层截面成形质量进行参数化评价,并结合钎焊层表面形态,对钎焊层综合成形特性进行评价和讨论,研究了工艺参数对钎焊成形的影响。研究结果表明:激光功率与扫描速度是影响钎焊成形的重要因素,不仅影响着合金粉末的熔合程度、熔池宽度,还影响金刚石的分散状态和钎料对金刚石的浸润包裹性,最终影响钎焊层的平整性。当道与道之间的搭接率为30%~40%时,钎焊成形质量较好。在采用逆向扫描策略,扫描道数为10、固定激光功率为700 W、扫描速度为15 mm/s、光斑直径为1.5 mm、搭接率为30%的条件下,实现了多层磨粒的激光逐层钎焊成形,钎料对金刚石浸润包裹充分,钎焊层中间区域平整连续,整体成形质量好。

轴承钢GCr15高速外圆磨削试验研究

为充分发挥轴承钢GCr15的优越性能,保证GCr15轴承等产品的加工质量和效率,开展其高速磨削研究。选用陶瓷CBN砂轮进行GCr15的高速外圆磨削正交试验,采用极差分析方法从最大未变形切屑厚度ag,max等探究砂轮线速度、工件速度和磨削深度对磨削力、磨削温度、表面粗糙度、表面形貌、表面硬度以及变质层深度等加工结果的影响,并进一步分析金相组织、残余应力。结果表明,较好的GCr15磨削表面质量和较大的材料去除率可以通过较大的砂轮线速度、适当的工件速度与磨削深度来实现。

磨削表面形貌建模研究进展

磨削表面形貌是磨削表面完整性的重要评价指标,其对材料的使用性能和表面质量起着关键作用。本文对磨削表面形貌建模的方法、技术路线以及研究成果进行了现状分析,对磨削表面形貌建模的三类方法(经验建模法、理论建模法、有限元分析法)进行了综述,对各类建模方法的原理和优缺点进行了论述,指出目前磨削表面形貌研究方向存在的问题和不足。最后,提出了磨削表面形貌建模研究的发展方向。

基于声发射的带锯条磨损在线监测试验研究

通过实时监测带锯条锯齿的工作状态,可以预防锯齿磨损带来的斜切、切削效率降低等问题。本文采用声发射在线监测系统采集和分析锯切过程的声信号,基于时域和频域特征分析提取带锯条全生命周期的磨损信号特征,实时判断带锯条的初始剧烈磨损时间。研究表明:通过分析时域信号可知,在剧烈磨损的临界阶段会出现声发射信号峰值和均值突变的情况;通过分析频域信号可知,初始剧烈磨损会导致峰值信号频率发生突变,初始剧烈磨损前声发射峰值信号频率稳定在30000Hz左右,初始剧烈磨损后声发射峰值信号频率稳定在15000Hz左右。因此,可基于信号突变的特征判断带锯条的初始剧烈磨损时间,避免斜切现象的发生,为带锯条锯齿磨损提供有效的在线监测技术思路。