南京航空航天大学 机电学院，江苏 南京 210016
研磨抛光后产生的工件亚表面损伤是评价工艺优劣及确定加工余量的主要参考，因此对亚表面损伤准确的预测有助于提高加工效率。采用离散元法对典型的软脆材料硫化锌固结磨料研磨过程中产生的亚表面损伤进行模拟，预测不同粒径金刚石加工工件后的亚表面微裂纹层深度。利用角度抛光法将工件抛光出一个斜面，作为亚表面损伤观测平面，通过盐酸的腐蚀使亚表面微裂纹显现，在金相显微镜下寻找微裂纹消失的终点位置并转换成亚表面微裂纹层深度，对仿真结果进行实验验证。结果表明：粒径为5、15、25、30 μm的磨粒造成的亚表面微裂纹层深度预测值分别为2.28、3.62、5.93、7.82 μm，角度抛光法实测值分别为2.02、3.98、6.27、8.27 μm。以上结果表明磨粒粒径对硫化锌亚表面损伤情况有很大的影响，随着磨粒粒径的增大，亚表面微裂纹深度增加，微裂纹数量增多。离散元法预测值与实测值偏差范围处在5%~15%之间，利用离散元法能有较为准确的预测软脆材料硫化锌加工后的亚表面损伤情况，为其研抛工艺的制定提供参考。
软脆材料 硫化锌 离散元法 亚表面损伤 soft brittle material ZnS discrete element method subsurface damage 红外与激光工程
2022, 51(5): 20210303
1 太原理工大学机械与运载工程学院, 太原 030024
2 太原理工大学, 精密加工山西省重点实验室, 太原 030024
针对硬脆材料圆盘件的成形切割问题, 提出一种基于电镀金刚石线锯的成形切割方法并进行切割试验, 采用3因素4水平正交试验系统研究切割线速度V(A)、转台W轴转速n(B)和金刚石线锯的张紧力F(C)对圆弧面径向跳动、线弓角度、切割效率以及表面粗糙度的影响规律。结果表明: W轴转速对圆弧的径向跳动(即圆度)、切割效率以及表面粗糙度影响最大, 张紧力的影响次之, 线速度的影响最小; 张紧力对线弓角度影响最大, 线速度的影响次之, W轴转速影响最小; 在本试验条件范围内, 经过试验验证得出的最优工艺参数组合为A3B1C1, 即金刚石线锯的线速度为8.96 m/s, 转台转速为0.25 r/h, 张紧力为12 N。且径向跳动、线弓角度、切割效率和表面粗糙度的极差分析结果与其方差结果一致。
金刚石线锯切割 硬脆材料 圆形零件 成形加工 正交试验 圆度 diamond wire saw cutting hard brittle material round part forming processing orthogonal test roundness
广州大学 机械与电气工程学院，广东 广州 510006
研磨抛光是机械加工领域中精密光整加工的重要手段。在传统研磨抛光中，特别是对硬脆性材料进行研磨抛光时，存在高硬度、低断裂韧性和化学性质稳定等特点，对其进行研磨抛光时很难获得理想的加工效率和优越的表面质量等问题。压电超声辅助研磨抛光属于振动研磨技术的一种，它将超声振动磨削技术应用于研磨加工，其高频振动能有效减小研磨力，提高加工效率，可充分发挥硬研磨工艺特点。该文结合压电超声辅助研磨抛光特性和研究方法现状，对国内外超声辅助研磨抛光硬脆材料的发展动态进行了综述与展望。
压电超声振动 研磨机理 硬脆材料 研究展望 piezoelectric ultrasonic vibration grinding mechanism hard and brittle material research prospect
大连理工大学 精密与特种加工教育部重点实验室，辽宁 大连 116024
超声辅助磨削是一种套料芯棒加工方法，而硬脆材料在超声辅助磨削加工过程中的去除模式主要为脆性断裂，这将导致加工出的芯棒直径与砂轮内径之间存在尺寸误差。针对上述问题，通过分析超声辅助磨削加工中砂轮表面金刚石磨粒的运动轨迹，运用压痕断裂力学理论建立了超声辅助磨削芯棒的直径预测模型。该模型考虑了脆性材料断裂时产生的侧位裂纹扩展对芯棒直径的影响。通过对K9光学玻璃材料进行超声辅助套料试验对模型进行了标定和验证，接着研究了进给速度和转速对芯棒直径误差的影响规律。通过对比研究发现，模型计算结果与试验结果吻合较好，误差小于5%，验证了模型的有效性。试验结果表明，采用适当的低转速和大进给速度可以有效降低超声辅助磨削芯棒直径的尺寸误差。本文所建模型可为超声辅助磨削套料芯棒的砂轮选择提供理论指导。
硬脆材料 超声辅助磨削 直径预测 芯棒尺寸误差 hard and brittle material ultrasonic assisted grinding diameter prediction dimension error of core rod
南京航空航天大学 机电学院, 江苏省精密与微细制造技术重点实验室, 江苏 南京 210016
研磨过程中亚表面损伤层深度的正确预测是研磨工艺参数制定的重要依据。针对固结磨料的研磨特点, 选择两种典型光学硬脆材料(镁铝尖晶石和石英玻璃), 采用离散元仿真技术, 分别建立了两种材料的二维离散元模型, 分析了工艺参数对光学硬脆材料亚表面损伤(裂纹)层深度的影响。而后, 采用角度抛光法测量了镁铝尖晶石和石英玻璃的亚表面损伤层深度, 进行了实验验证。结果表明: 采用固结磨料研磨时, 磨粒粒径对光学硬脆材料亚表面损伤的影响相当显著, 在相同研磨工艺条件下, 随着磨粒粒径的增大, 亚表面损伤层深度和微裂纹密集程度明显增加。离散元仿真结果与实验结果的对比表明: 采用离散元技术可以对光学硬脆材料的亚表面损伤深度进行快速有效的预测, 从而为后续的研磨抛光工艺提供参考与指导。
光学硬脆材料 固结磨料研磨 离散元法 亚表面损伤 optical hard brittle material fixed abrasive lapping discrete element method subsurface damage
广东工业大学机电工程学院, 广东 广州 510006
钛酸锶陶瓷是软脆难加工的材料，机械加工容易导致表面产生划痕和破裂。采用主控振荡器的功率放大器（MOPA）脉冲光纤激光控制断裂切割钛酸锶陶瓷基片，通过实验得到了激光控制切割机理。首先用激光扫描去除材料，形成应力槽；随着扫描次数的增加，切槽深度增加；热应力达到该材料的断裂阈值，使裂纹沿应力槽扩展，直至完全断裂。该过程属于自适应裂片，无需后续裂片工艺。此外还发现在激光烧蚀材料过程中出现表面平坦化现象。通过选择合适的工艺参数，可以实现0.3 mm厚钛酸锶陶瓷基片的成形切割。
激光技术 激光控制断裂切割 光纤激光器 软脆材料 钛酸锶陶瓷
1 南京化工职业技术学院 流体密封与测控技术研究所, 江苏 南京 210048
2 江苏省流体密封与测控工程技术研究开发中心, 江苏 南京 210048
3 南京化工职业技术学院 机械技术系, 江苏 南京 210048
随着激光加工技术的发展, 硬脆性材料的激光加工成为国内外研究的热点。建立了硬脆性材料3D有限元模型, 采用扫掠法对模型进行了网格划分, 选择高斯分布的激光光源为热源模型, 实现了硬质合金和碳化硅脉冲激光打标过程的数值模拟, 得到了这两种材料的温度场分布。
硬脆性材料 激光打标 温度场 数值模拟 ANSYS ANSYS hard-brittle material laser marking temperature field numerical simulation
脆性材料由于其特殊的性能在工业产品中的应用日益增多, 相对于金属材料的加工技术, 目前对非金属脆性材料的加工工艺研究较少, 至今缺少高效的加工手段。随着激光技术的发展, 激光被公认为是加工脆性材料的一种很有潜力的加工工具。介绍了激光在脆性材料分离、成形、喷丸改性中应用研究的最新成果, 分析了其加工原理和技术特点。讨论了激光弯曲脆性材料过程中影响弯曲角度的几个因素, 提出了在激光喷丸脆性材料中应用位错理论解释激光使脆性材料改性的机理, 最后指出了目前激光加工脆性材料研究中存在的问题, 预测了激光加工脆性材料的发展前景。
激光技术 脆性材料加工 分离 成形 喷丸处理
1 江苏大学机械工程学院, 江苏 镇江 212013
2 扬州职业大学机械工程系, 江苏 扬州 22500
通过改变工艺参数,用2.5 kW RS2000SM快轴流CO2激光器的激光束对球墨铸铁板条进行扫描; 并以X-350A型X射线应力测定仪,HVS-1000显微硬度测试仪及扫描电镜(SEM)等为工具,研究了脆性材料激光热应力成形的规律。结果表明,激光束能量较高、扫描速度较低、扫描次数较多和板材厚度较小时都有利于显著增加弯曲变形。成形后的试样在变形区表层有铁素体、渗碳体产生,试样内部表层的石墨团数量减少,试样上表层的最大残余拉应力在250 MPa左右,试样下表层的残余应力值接近零。试样断面硬度在700～200HV之间变化,上表层硬度最高。激光束能量较大时,变形区内部产生了微裂纹。
激光技术 激光应用 激光成形 热应力 脆性材料
1 武汉光电国家实验室 激光科学与技术研究部，武汉 430074
2 华中科技大学 光电子科学与工程学院，武汉 430074
传统分离脆性材料的技术由于易产生残余应力、显微裂纹与边部碎屑等缺陷，越来越不能满足半导体工业高精度与高清洁度的要求。激光微细加工技术以无污染、无接触及加工精度高、操作柔性好等优势，正成为一种很有潜力的脆性材料精密加工技术。介绍了用于分离脆性材料的几种典型激光微细加工技术，包括激光烧蚀切割技术、激光诱导张应力控制微裂纹扩展技术与激光剥离技术的工艺原理、特点及研究现状，指出了其存在的主要问题并探讨了其改进措施。最后预测了激光分离技术的发展前景。
激光微细加工 激光烧蚀切割 微裂纹扩展控制 激光剥离 脆性材料 laser micro-processing laser ablation cutting micro-crack propagation control laser lift-off brittle material
