基于多工艺复合的硬脆材料高效镜面加工技术基础研究

硬脆材料的镜面加工是发展国防尖端技术的重要手段。本研究将超声振动磨削的精密高效与ELID磨削的超精密技术相复合，形成一种高效镜面加工的超声ELID复合磨削技术。通过研究复合后复杂声学系统的动态特性，建立其阻抗匹配模式、考虑尺度时声学件支撑节点的设计理论、参数计算方法和系统振动稳定性模型；通过研究超声频率、振幅对氧化膜周期形成的速度、厚度、致密性、硬度和附着强度的影响规律，获得新形成氧化膜的力学性质及其抛光特性；通过研究不同参数下复合磨削纳米复相陶瓷的质量特征，建立参数优化的质量效率预测、工艺评价和临界切深模型；通过研究不同振动方向对磨削表面纹理、摩擦学特性的影响规律和微结构的表征，建立表面纹理与摩擦学特性的关系；通过研究复合磨削工艺的修整效果，揭示其修整机理和镜面高效加工的科学本质，为硬脆材料高效镜面加工提供理论与工艺技术支撑，研究结果对发展国防等高新尖端技术具有重要的理论意义和应用价值。

为高效地获得硬脆材料镜面表面，本研究提出将超声振动磨削技术与ELID技术相结合，形成一种多工艺复合的高效镜面加工技术。基于局部共振理论、标准声学工具和零件尺度效应的设计方法研究超声ELID复合高效镜面磨削的声学系统稳定性。通过对标准声学工具应用、振动系统的测试修整，超声电源参数及跟踪反馈参数的调节，完成一次开机可稳定工作36小时的复合声学系统。基于ELID电化学原理和单颗磨粒运动轨迹分析，建立含有ELID电参数和超声参数的超声ELID复合磨削力模型，针对理论模型进行数值仿真及试验验证，完成超声ELID复合磨削的动态磨削力变化规律研究，研究表明：磨削力随磨削深度、工件转速或进给速度的增大而增大，随砂轮转速或振幅的增大而减小；超声ELID复合磨削时的法向力和切向力均低于ELID磨削,这是由于超声振动冲击作用，磨粒切削深度变化，工件材料软化作用以及超声振动润滑效应综合作用的结果。采用单因素法研究了超声振动施加在工具上，磨削参数、ELID电参数对超声ELID复合磨削过程中氧化膜的力学性能及物理特性的影响。定性研究了氧化膜在复合磨削过程中的抛光性能，研究表明：超声ELID停电光磨和ELID停电光磨两种抛光形式均可获得纳米级镜面加工效果，但前者要优于后者。据陶瓷材料断裂力学理论和超声ELID特点，对单颗磨粒与工件过渡表面的相互作用进行分析，得到超声ELID复合内圆磨削临界压痕载荷下限表达式，建立超声ELID复合磨削的临界磨削深度数学模型，并对磨削参数和超声参数对临界磨削深度的影响趋势进行数值仿真，仿真结果显示：当磨粒顶圆锥半角取任意定值时，临界磨削深度随着砂轮线速度、工件线速度、超声振动的振幅或超声振动初始角位移的增大而减少；在研究不同粒度的砂轮对临界磨削深度影响时，取磨削领域中常用的磨粒顶圆锥半角θ=52°，得出临界磨削深度对磨削参数的敏感顺序如下：砂轮线速度＞工件线速度＞超声振动振幅＞超声振动初始角位移。基于硬脆材料去除机理，分析陶瓷材料在塑性变形和脆性断裂两种不同去除方式下材料的去除过程，建立超声ELID复合磨削材料去除理论模型，并对理论模型进行数值仿真及试验验证。研究表明：材料去除率随着超声振动频率、振幅、切削深度等参数的增大而增大；随着材料韧性、电解电压以及氧化膜厚度的增大而减小，据此完成五套超声ELID复合磨削装备试验样机和超声ELID复合磨削表面形貌在线监测系统。