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二维超声振动磨削纳米氧化锆陶瓷的温度场分布特性研究

作　者: 卞平艳
导　师: 赵波
学　校: 河南理工大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 二维超声振动磨削纳米ZrO2陶瓷磨削温度场有限元法数值模拟
分类号: TG580.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

陶瓷材料由于离子键、共价键为主的键性决定其具有高脆、断裂韧性低、弹性模量高等特点,因此硬脆性的陶瓷材料很难进行铣、刨、磨、抛、钻孔等加工。目前,使用金刚石工具（主要是砂轮）的磨削加工是工程陶瓷去除加工的基本途径。由于刀具与工件之间的相对运动速度很快,工件和金刚石的硬度很高,会在刀具与工件界面引起很高的温度,从而导致工件热损伤和加速刀具的磨损。因此,陶瓷材料的广泛应用迫切需要新的高效高质量的先进磨削加工工艺。将二维超声振动复合加工应用到陶瓷材料的磨削加工中是探寻新的高效磨削技术的创新。本研究通过普通磨削和二维超声振动磨削对比实验,对二维超声振动磨削纳米ZrO₂陶瓷的温度场进行了试验研究。对比磨削比能的特征、形成和分配机理,研究了磨削参数对二维超声振动磨削温度的影响规律,并通过正交试验进行回归分析,给出二维超声振动磨削纳米ZrO₂陶瓷的磨削温度经验公式。在此基础上研究了试件表面形貌、残余应力和显微硬度随磨削温度变化的特征,建立了纳米ZrO₂陶瓷表面变质层结构模型,对它们反映出的材料去除机理和磨削温度的形成机理进行了探讨。并建立了平面磨削时工件的传热学模型,采用有限元法对纳米ZrO₂陶瓷试件在普通和二维超声振动条件下的磨削温度场进行了数值模拟仿真,得到二维超声振动磨削温度场的等温分布图,并获得了磨削温度场的波形组合图。本论文研究发现采用超声振动磨削技术大大扩大了陶瓷材料磨削的塑性加工区域,有效降低了磨削区的温度,从而有利于纳米陶瓷的磨削。有限元数值模拟仿真结果与试验值基本吻合,从理论上证明了数值模拟仿真结果的可靠性,为研究磨削温度场提供了一种新的方法。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-11
1 绪论  11-27
  1.1 课题的提出  11-12
    1.1.1 论文课题来源  11
    1.1.2 课题研究的目的和意义  11-12
  1.2 纳米氧化锆陶瓷简介  12-17
    1.2.1 ZrO_2 陶瓷的性质及纳米ZrO_2 粉体的制备  13-14
    1.2.2 陶瓷材料的结合键  14
    1.2.3 ZrO_2 的相结构及变化特征  14-15
    1.2.4 陶瓷材料的耐热性  15-16
    1.2.5 纳米ZrO_2 陶瓷工业生产现状  16-17
  1.3 陶瓷材料的磨削加工技术现状  17-18
    1.3.1 精密和超精密磨削  17-18
    1.3.2 超声波磨削  18
  1.4 陶瓷材料磨削温度的研究状况  18-22
    1.4.1 磨削温度的概念及其对磨削加工过程的影响  18-19
    1.4.2 陶瓷材料的磨削温度  19-20
    1.4.3 陶瓷材料磨削温度测量技术的研究状况  20-22
    1.4.4 磨削温度的理论研究  22
  1.5 计算机仿真技术在磨削加工中的应用  22-25
    1.5.1 磨削过程仿真的发展状况  22-24
    1.5.2 磨削过程仿真的意义  24-25
  1.6 本课题研究的主要内容与方案  25-27
    1.6.1 本文主要研究内容  25
    1.6.2 本文研究方案  25-27
2 二维超声振动磨削纳米ZrO_2 陶瓷的磨削热能量特征研究  27-43
  2.1 陶瓷磨削过程中热量分配的研究  27-33
    2.1.1 磨削过程中热量传输的载体  27-28
    2.1.2 磨削热模型的发展  28-31
    2.1.3 陶瓷磨削的热量分配模型  31-32
    2.1.4 金刚石砂轮磨削陶瓷材料热量分配率R 的计算分析  32-33
  2.2 陶瓷磨削过程中的磨削比能特征  33-35
    2.2.1 磨削比能概述  33-34
    2.2.2 磨削温度与磨削比能关系分析  34-35
  2.3 二维超声振动磨削机理分析  35-38
    2.3.1 二维超声振动磨削系统装置  35-36
    2.3.2 二维超声振动磨削的特点  36-38
  2.4 二维超声振动单颗磨粒切削分析  38-41
    2.4.1 单颗磨粒的切削深度  38-39
    2.4.2 二维超声振动单颗磨粒的切削过程  39-41
  2.5 二维超声振动磨削热机理分析  41
  2.6 本章小结  41-43
3 二维超声振动磨削纳米ZrO_2 陶瓷的磨削温度实验研究  43-71
  3.1 实验目的  43
  3.2 实验方案  43-45
    3.2.1 热电偶的选取  44
    3.2.2 人工热电偶测温结构方案  44-45
    3.2.3 中间导体定则  45
  3.3 实验装置  45-46
  3.4 实验条件  46-47
  3.5 二维超声振动磨削温度特征  47-50
    3.5.1 温度信号的提取  47
    3.5.2 二维超声振动磨削温度信号分析  47-50
  3.6 实验结果  50-59
    3.6.1 砂轮转速ns 的影响  51-52
    3.6.2 磨削深度a_p 的影响  52-55
    3.6.3 工作台进给速度V_w 的影响  55-56
    3.6.4 连续磨削次数N 的影响  56-58
    3.6.5 不同粒径氧化锆陶瓷的影响  58-59
  3.7 影响纳米ZrO_2 陶瓷磨削温度的因素分析  59-63
    3.7.1 试验方法  59-60
    3.7.2 磨削温度多元回归  60-63
    3.7.3 回归结果讨论  63
  3.8 二维超声振动磨削温度与磨削烧伤机理研究  63-69
    3.8.1 试件表面颜色、表面纹理及磨削温度的变化  64-65
    3.8.2 纳米ZrO_2 陶瓷磨削表面变质层结构  65-66
    3.8.3 磨削温度对工件表面残余应力的影响  66-67
    3.8.4 表面层显微硬度的变化  67-69
  3.9 本章小结  69-71
4 基于有限元法的磨削温度场理论模型的建立  71-87
  4.1 磨削温度场理论模型的发展  71-74
  4.2 传热学基础  74-76
    4.2.1 传热控制方程  74-75
    4.2.2 传热基本条件  75-76
  4.3 有限元法在磨削温度场中的应用  76-81
    4.3.1 磨削温度场的有限元模型  77
    4.3.2 磨削温度场的数学模型  77-78
    4.3.3 有限元分析软件ANSYS 的基本过程  78-81
  4.4 纳米ZrO_2 陶瓷有限元模型的建立  81-86
    4.4.1 假设条件  81-83
    4.4.2 陶瓷传热边界条件的处理  83-84
    4.4.3 模型的建立  84-86
  4.5 本章小结  86-87
5 磨削温度场的数值模拟分析  87-103
  5.1 数值模拟瞬态热分析简介  87-88
  5.2 热源数值建模  88-89
  5.3 载荷及边界条件设置  89-91
  5.4 进行瞬态热分析求解  91-92
  5.5 求解结果分析  92-101
    5.5.1 磨削温度场的计算结果  92-96
    5.5.2 位于不同深度下工件表层的温度值  96-99
    5.5.3 磨削温度场的获得  99-101
  5.6 数值模拟与试验对比分析  101
  5.7 本章小结  101-103
6 总结与展望  103-105
  6.1 论文主要研究内容及结论  103-104
  6.2 展望  104-105
参考文献  105-110
附录  110-111
致谢  111-112
详细摘要  112-114

二维超声振动磨削纳米氧化锆陶瓷的温度场分布特性研究

内容摘要

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