纳米复相陶瓷二维超声振动辅助磨削机理及其表面质量研究

摘要

由于目前工程应用对陶瓷材料的要求日益苛刻，单相材料越来越难以满足其使用要求，故而使纳米复相陶瓷成为陶瓷材料领域研究的一大热点。但由于其对表面微观缺陷敏感、生产效率低、加工成本高等特点限制了其在高新高端技术的广泛应用。本文以纳米复相陶瓷增强增韧机理、超声振动理论、断裂力学、宏微观力学等为理论基础，分别从纳米氧化锆增韧氧化铝陶瓷在二维超声振动辅助磨削条件下的表面创成机理、材料去除机理及其表面微观质量等方面展开研究，从微观角度系统地研究了二维超声振动激励对ZTA纳米复相陶瓷加工特性的影响规律，揭示ZTA纳米复相陶瓷在二维磨削中所表现出的高效精密加工特性，为纳米复相陶瓷的二维磨削高效精密加工新方法的推广奠定理论基础。主要研究内容如下： ⑴以ZTA纳米复相陶瓷为加工对象，提出一种单驱动二维超声振动辅助金刚石砂轮磨削技术，通过机械阻抗综合法研究该系统的组合共振问题，分析该系统对超声激励的动态响应情况，并通过试验获取了该系统的振动特性。基于超声振动理论，从运动学角度分析新型磨削系统在二维超声振动的激励下产生的工件质点及单颗磨粒运动轨迹特征，首次建立二维磨削单颗磨粒切削轨迹方程，定义了单颗磨粒与工件的螺旋式切削轨迹，给出了单颗磨粒切入切出工件的时间、超声在切削区内的振动次数，切削弧长及超声振动临界频率条件，发现了二维磨削具有一次切削多次光磨，磨削沟槽宽化及磨削表面未切除材料痕迹尺寸变小的特点，并最终确立了二维磨削表面创成机理。 ⑵以压痕断裂力学、塑性加工理论为基础，建立了二维磨削单颗磨粒切削模型，给出单颗磨粒临界切削厚度，并对磨削过程脆塑性去除机理进行分析，基于二维超声振动条件下单颗磨粒临界切削厚度模型，给出二维磨削陶瓷脆塑转变临界条件，建立脆塑两种情况下高效材料去除率模型，并通过试验得知相同磨削参数下，二维磨削材料去除是普通磨削的2～3倍。 ⑶基于冲击断裂力学，振动切削理论及普通磨削磨削力模型，建立二维超声振动辅助磨削过程中的磨削力数学模型，从磨削力特性对二维超声辅助磨削技术的加工特性进行解释，并通过试验分析了二维超声振动及磨削加工参数对磨削力及其力比的影响规律。 ⑷通过二维磨削ZTA纳米复相陶瓷表面粗糙度单因素试验讨论不同加工参数及二维超声振动对表面粗糙度的影响规律。基于自适应模糊神经推理系统(ANFIS)构建了ZTA纳米复相陶瓷磨削表面粗糙度的预测模型，通过各加工参数间复杂的非线性问题的处理，获得近似实际加工结果的输出值，预测精度可达到81.25％。根据自适应模糊推理预测模型形成的模糊规则曲面得出四个输入项对ZTA纳米复相陶瓷磨削表面粗糙度的影响程度，由大到小依次是砂轮粒度，磨削方式(二维磨削或普通磨削)、磨削深度、轴向进给量、工作台速度。 ⑸基于扫描电镜、透射电镜、X射线衍射、白光干涉仪等测试技术探索性地讨论ZTA纳米复相陶瓷二维磨削表面/亚表面损伤特征，研究ZTA纳米复相陶瓷二维磨削过程中应力诱发氧化锆马氏体相变程度，以及由此引起的磨削表面残余应力的变化规律，从微观角度研究超声激励下磨削表面微裂纹的成核、生长和扩展规律以及变质层的分布，指出与普通磨削相比，二维磨削利于ZTA陶瓷获取较好的表面微观特征。 ⑹提出了在超声振动条件下ZTA纳米复相陶瓷断裂的模拟试验方法。基于该方法分析具有预制裂纹的ZTA纳米复相陶瓷材料在超声振动条件下裂纹扩展方式，确立其断裂判据，通过该断裂模拟试验得出：沿晶断裂是普通磨削主要的断裂模式，而穿晶断裂是二维磨削主要的断裂模式，进一步证明二维磨削具有较好的材料去除特性。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：论文中主要符号说明

声明

第一章绪论

1.1课题来源

1.2课题研究的意义

1.3 ZTA纳米复相陶瓷材料的研究

1.3.1 ZTA纳米复相陶瓷的制备

1.3.2 ZTA纳米复相陶瓷的增强增韧机理

1.4陶瓷材料超声磨削技术研究现状

1.4.1国外研究现状

1.4.2国内研究现状

1.5陶瓷材料磨削机理研究现状

1.5.1陶瓷加工机理研究方法

1.5.2陶瓷材料去除机理

1.6本文的主要研究内容及框架结构

1.6.1本文的主要研究内容

1.6.2本文的框架结构

第二章二维超声振动辅助磨削系统的建立及其表面创成机理研究

2.1前言

2.2二维超声振动辅助磨削系统

2.2.1陶瓷平板二维超声振动辅助磨削系统的建立

2.2.2二维超声振动辅助磨削系统阻抗匹配分析

2.2.3超声激励下陶瓷平板振动响应分析

2.2.4陶瓷平板二维超声振动辅助磨削系统振动特性测试

2.3二维超声振动辅助磨削系统运动学分析

2.3.1工件质点的运动轨迹分析

2.3.2二维超声振动辅助磨削ZTA纳米复相陶瓷过程中砂轮-工件相对运动分析

2.3.3二维超声振动辅助磨削过程单颗磨粒切削轨迹分析

2.4二维超声振动辅助磨削表面创成机理分析

2.4.1不同磨削方式下的单颗磨粒切削轨迹分析

2.4.2二维超声振动辅助磨削过程单颗磨粒运动轨迹影响因素分析

2.4.3二维超声振动辅助磨削表面创成机理

2.5二维超声振动辅助磨削系统表面创成机理验证

2.5.1实验条件

2.5.2实验结果及其分析

2.6本章小结

第三章 ZTA纳米复相陶瓷材料特性及其二维超声振动辅助磨削材料去除机理

3.1概述

3.2 ZTA纳米复相陶瓷材料特性分析

3.3 ZTA纳米复相陶瓷二维超声振动辅助磨削去除机理分析

3.3.1陶瓷材料磨粒压痕去除过程

3.3.2二维超卢振动辅助磨削单颗磨粒的临界切削厚度

3.3.3陶瓷材料二维超声振动辅助磨削加工脆塑性转变临界条件

3.3.4二维超声振动辅助磨削陶瓷材料去除率模型

3.3.5二维超声振动辅助磨削过程磨削力数学模型的建立

3.4 ZTA纳米复相陶瓷二维超声振动辅助磨削力特性的试验分析

3.4.1试验方法及条件

3.4.2试验结果及分析

3.5二维超声振动辅助磨削ZTA纳米复相陶瓷材料去除率试验研究

3.5.1试验方法及条件

3.5.2试验结果及分析

3.6二维超声振动辅助磨削ZTA纳米复相陶瓷磨削表面脆塑性转变试验

3.6.1试验条件及其试验方法

3.6.2加工方式对磨削表面微观形貌的影响

3.6.3二维超声振动辅助磨削ZTA陶瓷延性域磨削分析

3.7本章小结

第四章 ZTA陶瓷二维超声辅助磨削表面微观轮廓特征研究

4.1概述

4.2.ZTA陶瓷二维超声辅助磨削表面粗糙度试验分析

4.2.1试验条件及试验方法

4.2.2各磨削参数对ZTA陶瓷表面粗糙度的影响规律

4.2.3超声加工方式对ZTA纳米复相陶瓷磨削表面微观轮廓的影响

4.3 ZTA纳米复相陶瓷磨削表面粗糙度预测模型及其加工参数优化

4.3.1预测模型输入-输出参数的确定

4.3.2预测模型算法的选择

4.3.3基于ANFIS系统的ZTA陶瓷磨削表面粗糙度模型的构建

4.3.4数据处理与结果

4.3.5预测系统的通用性

4.4本章小结

第五章ZTA纳米复相陶瓷二维超声振动辅助磨削表面／亚表面损伤特征研究

5.1引言

5.2 ZTA纳米复相陶瓷二维超声振动辅助磨削表面物相分析

5.2.1磨削表面物相分析方法

5.2.2物相分析结果

5.3 ZTA纳米复相陶瓷材料磨削应力场的分析

5.4 ZTA纳米复相陶瓷二维超声振动辅助磨削表面残余应力分析

5.4.1 ZTA纳米复相陶瓷磨削表面残余应力试验方法及条件

5.4.2 ZTA纳米复相陶瓷磨削表面残余应力试验结果及分析

5.4.3 ZTA纳米复相陶瓷磨削表面残余应力试验结论

5.5二维超声振动辅助磨削ZTA纳米复相陶瓷表面微裂纹损伤分析

5.5.1磨削表面微裂纹试验方法

5.5.2表面微裂纹SEM与TEM试验结果及分析

5.6二维超声振动辅助磨削ZTA陶瓷亚表面损伤分析

5.6.1亚表面损伤试验方法

5.6.2试验结果

5.7超声激励下ZTA陶瓷断裂分析

5.7.1 ZTA陶瓷断裂模拟试验的设计

5.7.2 ZTA陶瓷裂纹扩展机理及断口分析

5.8本章小结

第六章全文总结

6.1主要结论

6.2主要创新点

6.3研究展望

参考文献

致 谢

攻读博士学位期间已发表或录用的论文、完成的相关科研课题