【096】研究椭圆超声波振动所带动的金刚石砂轮磨削纳米陶瓷材料ZrO2的温度【中文2400字】.doc

河南理工大学 出版发行 科学出版社 应用力学和材料 42 卷 313 316页 瑞士代码 :究椭圆超声波振动所带动的 金刚石砂轮磨削 纳米 陶瓷 材料 度 作者：薛进学， 简介：籍贯：中国 ,河南科技大学机电工程学院 教授， 同济大学 机电工程学院兼职博士生导师 ； 邮箱： 者： 赵波 简介：籍贯：中国 ,焦作，河南理工大学机械与动力工程学院 关键词 ： 纳米陶瓷，磨削温度， 椭圆修整， 金刚石砂轮 ， 超声波振动 摘要 ： 为了研 究影响磨削温度的加工方法 ,分别用传统装置和椭圆超声波振动来驱动两种金刚石砂轮，用来磨相同的纳米陶瓷材料。 通过磨削实验 ,进行研究对比分析磨削温度。 结果表明 ,有椭圆超声波振动驱动的金刚石砂轮可以降低磨削温 。 简介 ： 工程陶瓷已经发现广泛地应 用 磨削温度会影响的加工精度、表面质量和可靠性。 于许多经济领域。 因此 ,掌握和运用不同加工条件对磨削温度的影响规律可以控制磨削过程和提高加工质量。 试验条件 : 实验选用数控系统的超精密平面磨床和 ,270 #树脂结合剂金刚石砂轮。 金刚石砂轮 分别有 传统装置和椭圆超声波振动来驱动 传统磨削 和超声磨削参数显示在下表 1。 类型 项目 参数 普通磨削参数 金刚顶角 顶尖角 60度 磨削深度 5微米 /转 河南理工大学 进给速度 转 超声波磨削参数 研磨速度 45转 /分钟 超声功率 100瓦 超声频率 30000赫兹 冷却液 需要 研磨深度 2转 研磨速度 /秒 工作台转速 12分钟 冷却液 不需要 椭圆超声振动系统 : 椭圆超声振动系统如图 1所示。它是根据共振机理而设计的。该系统包含 两个子系统 子换能器系 统和振动系统。作为系统负荷的一部分，可以调整金刚石顶尖长度使其达到系统共振点 10000赫兹，振幅为 10 微米。 刚石砂轮 ) 振动转换器 ) 整装置 ) 感器 ) 声波发生器 ) 工件的特点 : 工件是用 温等静力压制的方法。工件尺寸是 20M). 其力学性能见表 2 参数 维式硬度（ 弹性模量（ 抗弯强度（ 断裂韧度（ ） 密度（ 高温导电性（ 比热（ ） 泊松比 河南理工大学 数值 12 360 700 10 削温度试验方案 : 红外热像仪法和红外辐射特性对环境以及其他因素都很敏感 ,因此我们将人工热电偶测温法线夹在试验中如图 22示。 由热电偶所产生的热电势信号来至样品，通过屏蔽导体放大并传递到数据采集卡 通过放大 器然后将获得的信号通过虚拟软件平台最后获得表层温度场的分布。 两种磨削方法的磨削温度特性 : 即使磨料粒子离开磨削区 ,磨削温度下降仍然缓慢 。这是因为陶瓷材料与金属材料截然不同，陶瓷材料具有储热性和较低的导热性。 在切削接触区存在最高切削温度。 2 磨削温度试验方案 a) A 温 度的获得 件 b)传感线 磨削层温度分布 : 正如图 3所示。 无论是有传统装置还是椭圆超声波振动来驱动的砂轮 ,离切削区距离越近 ,温度越高 ,温度梯度越大 ,反之亦然。 这两种温度相差 10 至 17度，并且在相同的磨削参数下，温度梯度很类似。 其原因是 ,在超声波加工系统下用金刚石砂轮磨削所得到的菱形磨料颗粒的高度比在传统磨削系统中所获得的高 ,因此前有较大的法向前角 ,较小的磨削力和磨削热，这就大大降低了磨削温度。 在相同的加工条件下加工相同的材料，温度的梯度几乎相同。 三，温度场的分布 横坐标：离磨削表层的距离 单位：微米。 河南理工大学 磨削温度 声加工磨削 统磨削 声磨削条件， 不同加工方法对磨削温度的影响 : 图 4显示了 ： 对由超声波震所带 动的金刚石砂轮磨削纳米陶瓷材料 磨削参数 对 磨削温度的影响。 回归分析结果表明：进给量和超声功率是影响磨削温度最重要的因素。砂轮速度和磨削深度都是次要影响因素。 其原因是 ,进给量和超声波功率对砂轮的形状影响较大，并且对磨削所得到的菱形磨料颗粒的高度以及金刚石磨粒的锋利度都有直接影响，实验结果如图 4所示。 磨削参数对磨削温度的影响 : 从图 5可以看出：无论砂轮是由 传统装置驱动还是超声波振动来驱动 ， 磨削温度与磨削深度也同样存在着非线性的关系。正如上述所分析的那样，当用超声波来带动砂轮进加工时，磨削温度较低。 当磨削深度小于某一小深度时或者稍微达到某一特 定深度时，磨削温度就会快速增加。 这取决于陶瓷材料饿脆性。由于陶瓷材料的脆性， 陶瓷材料的塑性加工区域非常小 。当材料处于塑性加工状态时，陶瓷就会发生微观的结构变形，磨削力也会变小。随着磨削深度的不断增加，参与磨削的 磨料颗粒的数目 也会增加， 与此同时，接触长度也增加，如图 5所示。结果，磨削力增加，磨削温度很快升高。 随着 脆性断裂和塑性剪切切削机理 的 综合 性能饿出现，磨削力就会下降；随着磨削深度的增加， 脆性断裂的程度也 增加 ，由磨削力增加而引起的磨削温度的变化也趋于稳定。 当工作台速度较高时，磨削深度越深，磨削温度 增长的越快， ,磨削烧伤越容易发生 。因此，在相同的加工条件下，对于避免磨削烧伤和保证磨削质量而言， 选择合理的磨削深度、进给速率都是很有意义的 。 随着磨削速度的增加， 单一磨料颗粒的最大切削厚度就会减小。磨削速度的增加可能会增加 加热功率。 实验结果表明 ,随着 磨削速度的增加 最高温度也增加。 这两方面的影响导致了磨削能量和特定的磨削能量保持不变或小幅的变化。 因此磨削河南理工大学 温度的变化并不明显。增加砂轮的转速可以明显降低磨削力，并且磨削温度也不会显著增加，因此，在一定范围内提高砂轮转速对加工陶瓷材料是有益的。 随着工 作台转速的不断提高， 单一磨料颗粒的切削厚度就会相应的减小 。磨削力和磨削能就会明显增加，最终磨削温度升高。 总结 : 由 超声波振动驱动的 磨削其磨削温度比由普通磨削装置驱动的磨削温度低了将近 15 度，但是温度场几乎相同。 进给量和超声功率是影响磨削温度最重要的因素。砂轮速度和磨削深度都是次要影响因素。 随着磨削速度的增加，磨削温度的变化并不明显。随着工作台转速的不断提高，磨削温度也升高。 河南理工大