硬脆材料表面二维超声高效超精密磨削机理及关键技术研究

To explore high efficiency and high quality processing technology for the purpose of the wide application of hard brittle materials， it focuses on the research of two-dimensional ultrasonic assisted diamond wheel grinding which develops a combination of ultrasonic machining technology and diamond wheel grinding technology. High efficient and high quality ultrasonic assisted grinding equipment will be developed, which is suitable for ultra-precision machining of hard brittle materials, and its designing method will be studied，which is the designing difficulty of the machining system, so it will further improve the theory of ultrasonic machining and provide theoretical guidance for the design of the device. On-line monitoring test platform will be built to analyze the internal microstructure and the breaking process of hard brittle material under the action of two-dimensional ultrasound, then the plastic procesing mode, crack propagation mode and the fracture criterion of hard brittle under the action of two-dimensional ultrasonic vibration will be built. Considering the continuity and the identity of materials, efficient removal rate model with multi-parameter coupling of two-dimensional ultrasonic assisted grinding will be built, and the effects of various parameters on material removal rate and plastic cutting depth will be obtained. Based on theoretical analysis and experimentation, surface quality and surface integrity of hard brittle materials under two-dimensional ultrasonic assisted grinding will be discussed, and its processing mechanism will be established, which directs ultra-precision processing of hard brittle materials.

本项目立足于硬脆材料精密超精密加工难题，选用新型陶瓷等硬脆材料为主要研究对象，将超声加工技术与金刚石砂轮磨削技术紧密结合起来，发展硬脆材料高效精密超声复合加工技术—二维超声复合金刚石砂轮磨削技术，研究超声高效加工装备的有关技术基础及功率超声加工中复杂声学系统设计方法及理论的盲区，研究不同振动组合下的二维超声振动复合加工系统，给出考虑支撑件尺寸的节点位置的设计理论和保证振动系统稳定工作的计算方法，完善超声加工理论，研制出新型高效二维超声精密加工装备；构建可在线监测试验平台，研究二维超声作用下材料的响应与材料内部微结构的相互影响关系、材料损伤与断裂机制，建立陶瓷材料对超声激励的响应模型、塑性加工模式、裂纹扩展模型及材料断裂准则；建立多参数耦合的二维超声复合磨削去除模型，结合磨削试验分析加工参数对硬脆材料表面完整性的影响，有效实现硬脆材料加工质量的可控，完善和发展硬脆材料高效高质加工技术与装备。

为高效高质获取硬脆材料超精密加工表面，本研究提出将二维超声加工技术与金刚石砂轮精密磨削技术相结合，形成一种二维超声复合金刚石砂轮磨削技术，并采用该技术对硅片、纳米氧化锆等硬脆材料的超精密磨削高效高质加工机理进行了研究。首先，基于二维超声加工特点，建立了考虑固定件—法兰盘尺寸的二维超声振动磨削系统支撑节点设计理论以及新型螺旋槽式纵扭变幅杆设计理论，研制出工件同一水平面内两垂直方面施振、工件切向施振+砂轮轴线施振、新型螺旋槽式砂轮纵扭施振等二维超声复合磨削系统，对其加工稳定性的影响因素进行优化分析，给出其保证工作稳定的方法；其次，基于二维超声磨削过程中的磨粒运动学分析，建立了砂轮相邻磨粒切削轨迹方程，推导了砂轮-工件实现分离磨削的临界条件，建立了其加工表面残余材料波峰值的数学模型，分析各加工因素对其表面质量的影响规律，理论分析及试验结果证明：无论是二维超声磨削还是普通磨削的加工表面皆存在方向性，反映出传统粗糙度在超精密磨削表面质量表征时存在局限性；再次，针对传统粗糙度在纳米陶瓷表面质量表征时存在的局限性问题，基于磨削过程的随机性及磨粒-工件在磨削过程中的微观相互作用，提出了一种基于概率统计规律的加工表面残余材料高度的计算方法，建立了磨削加工表面三维粗糙度表征模型，并对纳米氧化锆二维超声磨削的加工表面质量进行了三维粗糙度表征分析，并验证该模型的有效性；最后，根据压痕断裂力学理论，分析了硬脆材料表面粗糙度与亚表面损伤深度的关系，建立了普通磨削、轴向超声磨削、切向超声磨削三种磨削方式下的亚表面损伤深度模型，并搭建了超声刻划实验平台，研究了不同磨削形式下工艺参数对表面粗糙度和亚表面损伤深度的影响规律，实现硬脆材料的可控加工。本项目初步建立二维超声复合磨削硬脆材料超精密加工规律，为实现硬脆材料二维效超声超精密磨削装备的开发应用奠定理论与技术基础，对其超精密加工实践具有重要的参考意义。