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弹性基体软固结磨料磨具的材料去除机理.pdf
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1、Engineering,2024,37(1):192-204.Citation format:WANG Jiaqing,GUO Lei,LIU Tiangang,et al.Material removal mechanism of the elastic soft-bonded abrasive toolJJ.China Surface引用格式:王家庆,郭磊,刘天罡,等。弹性基体软固结磨料磨具的材料去除机理 1 中国表面工程,2 0 2 4,37(1):192-2 0 4.2024Feb.CHINASURFACEENGINEERING2024年2 月No.1Vol.37国面中第37 卷第1期
2、表程doi:10.11933/j.issn.1007-9289.20230222001弹性基体软固结磨料磨具的材料去除机理王家庆1郭磊1,2刘天罡郭万金1吕景祥靳淇超1(1.长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室西安710064;2.重庆大学机械传动国家重点实验室重庆400044;3.中天引控科技股份有限公司西安710010)摘要:基于弹性磨具的磨抛工艺为硬脆材料超精密加工效率与加工质量的兼顾平衡提供了新的解决思路,但其磨抛过程的材料去除机理尚未明确。为研究弹性磨抛过程中的材料去除行为,以硅橡胶作为磨具基体材料,混合微米级金刚石磨料制备弹性基体软固结磨料磨具,利用有限元仿真分析方法研究弹性
3、基体软固结磨粒的受力状态,结合接触力学与运动学分析建立考虑单颗磨粒磨损行为与有效磨粒数量的材料去除模型,通过石英玻璃试件的弹性磨抛加工试验验证预测模型的准确性。结果表明:石英玻璃试件的材料去除率随着磨抛压力、主轴转速、磨具偏角的增大而显著增加,而磨料粒径对其影响程度较小;当工艺参数组合为磨料粒径10 0 m、磨抛压力7 N、主轴转速15 0 0 r/min、磨具偏角2 0 时,经6 0 min磨抛后,工件已加工表面粗糙度由1.0 6 9m降至0.0 8 9um,材料去除率为8.8 9310 m/min;该试验条件下,建立的材料去除模型预测准确度相比Preston经典模型提高36.7%。研究成果
4、可为实现硬脆材料的确定性材料去除提供技术支持和理论依据。关键词:弹性基体磨具;软固结磨料;磨削抛光;材料去除效率;多因素模型中图分类号:TG58Material Removal Mechanism of the Elastic Soft-bonded Abrasive TooWANG JiaqingGUO Lei 1,2LIU Tiangang3GUO Wanjin LU Jingxiang JIN Qichao!(1.Key Laboratory of Road Construction Technology and Equipment of Ministry of Education,Ch
5、ang an University,Xi an 710064,China;2.State Key Laboratory of Mechanical Transmissions,Chongqing University,Chongqing 400044,China;3.Zhongtian Control Technology Co.,Ltd.,Xi an 710010,China)Abstract:Hard and brittle materials such as sapphire(-Al2O3),silicon carbide(SiC),and optical glass are widel
6、y used in aerospace,biomedicine,optoelectronic information,and other advanced fields.The compound demand for efficiency and quality has been along-standing problem in the development of ultraprecision machining technology for hard and brittle materials.Abrasive tools basedon rubber or other matrix m
7、aterials can achieve nanometer-scale surface roughness while maintaining a high material removalefficiency and avoiding surface scratches and damage through elastic contact adaptive grinding and polishing.However,the grindingand polishing processes based on elastic abrasive tools are complex,and the
8、 material removal mechanism is unclear.An elasticsoft-bonded abrasive tool is proposed to evaluate the mechanism of flexible-contact ultraprecision grinding and polishing.Silicon基金项目:国家自然科学基金(5 18 0 5 0 44);中国博士后科学基金(2 0 2 0 M673318);陕西省自然科学基础研究计划(2 0 2 2 JM-254);机械传动国家重点实验室开放基金(SKLMT-MSKFKT-202006)
9、。Fund:National Natural Science Foundation of China(51805044);China Postdoctoral Science Foundation(2020M673318);Basic Research Plan of ProvincalNatural Science of Shaanxi(2022JM-254);Open Fund of State Key Laboratory of Mechanical Transmission(SKLMT-MSKFKT-202006).收稿日期:2 0 2 3-0 2-2 2;修改日期:2 0 2 3-0
10、 4-17;接受日期:2 0 2 3-0 5-0 5:上线日期:2 0 2 3-12-15。Received February 22,2023;Revised April 17,2023;Accepted in revised form May 5,2023;Available online December 15,2023.193王家庆,等:弹性基体软固结磨料磨具的材料去除机理第1期rubber is selected as the matrix material,and an elastic soft-bonded abrasive tool is prepared by mixing m
11、icrometer-sized diamondabrasives.A contact model between the elastic matrix and the processing object is established based on the Hertz contact theory.Thestress distribution in the contact area is then visualized and analyzed.The stress state of the soft-bonded abrasive grains in the matrixduring th
12、e grinding and polishing processes is analyzed using theoretical derivation and finite element simulation.Based on thePreston equation,contact stress distribution,and kinematic analysis,an optimal material removal model for compliant grinding andpolishing is proposed,which considers the wear mechani
13、sm of a single abrasive grain and the number of effective abrasive grains.Thematerial removal rate and material removal profile in the machining area of the single-point dwell grinding and polishing are predicted.The accuracy of the predictive model is verified by conducting compliant grinding and p
14、olishing experiments on quartz glassspecimens.The results showed that the material removal profiles measured by the theoretical simulation and experiment did notexactly match;however,they had a high similarity,and the maximum deviation in the material removal depth was 13.1%.In the y-zprofile,the cr
15、oss-sectional curve of the material-removal profile was distributed axially symmetrically.In the x-z profile,the positionof the maximum material removal shifted slightly along the x-axis direction.This is because the relative velocities in the contact areaare not symmetrically distributed when the e
16、lastic abrasive tool is at a certain inclination angle.The material removal rate of thequartz glass specimen significantly increased with an increase in the grinding and polishing pressure,spindle speed,and toolinclination angle,whereas the effect of the abrasive grain size was relatively smal.When
17、the process parameters were set to theabrasive grain size of 100 m,grinding and polishing pressure of 7 N,spindle speed of 1 500 r/min,and tool inclination angle of 20,after 60 min of grinding and polishing,the surface of the workpiece changed from having obvious grooves to having good uniformityand
18、 the surface roughness of the machined workpiece was reduced from 1.069 m to 0.089 m;the material removal rate was8.893x10 m3/min,obtaining excellent surface quality while maintaining a high material removal rate.Under the aforementionedexperimental conditions,the accuracy of the material removal mo
19、del proposed in this study was 36.7%higher than that of the classicPreston model.The elastic abrasive tool has good technical feasibility in ultra-precision grinding and polishing for hard and brittlematerials The optimized material removal model can effectively describe the compliant grinding and p
20、olishing process of the elasticabrasive tool,and provides technical and theoretical bases for deterministic material removal of hard and brittle materials.Keywords:elastic abrasive tool;soft-bonded abrasive;grinding and polishing;material removal rate;multi-factor model0前言以蓝宝石、光学玻璃和陶瓷为代表的硬脆材料以其高强度、高
21、硬度、耐高温及化学稳定性好等优点而备受关注,在航空航天、光电能源、生物医疗等领域得到广泛应用-3。硬脆材料具有高硬度、低断裂韧性等特点,属于典型的难加工材料 4-5 ,传统加工方法难以满足其超精密制造过程对材料去除效率和工件表面质量的复合要求。目前用于硬脆材料超精密磨削抛光的工艺方法依据加工过程中磨料颗粒的运动行为与材料去除方式主要分为两类:基于流体载运的游离磨料磨削抛光与基于工具接触的固结磨料磨削抛光。其中流体载运式磨抛方法主要包括磁流变液抛光 、电流变液抛光 7 、射流抛光 8 等,单纯的流体运载磨料抛光方法普遍存在着磨削抛光效率较低、材料去除函数稳定性不足、辅助能场应用场景受限以及成本高
22、、环境友好性差等问题 9。相比而言,传统的刚性基体工具接触式磨抛工艺可以达到较高的材料去除效率,但工具与工件的刚性接触极易造成工件表面及亚表面微破碎、微裂纹以及损伤层等显著缺陷 10 ,难以满足以光学应用为代表的超精密加工工艺需求 。为了应对上述问题,国内外学者开展研究将磨料与橡胶、硅胶等弹性材料混合制成弹性基体软固结磨料磨具。采用弹性基体磨具磨抛硬脆材料,磨具与工件之间的弹性接触,不仅能够减少材料的表面和亚表面损伤,而且有助于对曲面工件进行仿形加工;弹性基体材料力学性能较弱,更容易损耗,使磨具表面的磨粒不断更新替换,具有一定自锐性。BEAUCAMP等 12 提出一种形状自适应磨削(Shape
23、adaptivegrinding,SA G)工具,其以Kevlar织物加固的球形橡胶膜为基体,通过橡胶膜顶部沉积有金刚石磨料颗粒的第二变形层来进行磨削;通过碳化硅磨削试验,得到的工件表面粗糙度(Ra)为0.4nm,材料去除率为10 0 mm/min。徐西鹏等 13 提出一种基于凝胶原理的大面积细粒度磨抛工具,在加工单晶硅片时,采用5 m磨粒的凝胶工具加工后的硅片表面粗糙度可以降低到0.3nm。LI等 14 提出一种以面194中表国2024年程液态硅胶、改性碳化硅、固化剂、增韧剂混合成型的圆柱基体半球形端部的弹性磨具,研究了碳化硅磨粒大小以及含量对磨具接触变形的影响。NIE等 15 通过固化具有
24、不同杨氏模量的硅酮材料,制备了具有迷宫、凹坑和混杂纹理的可变形抛光工具,并进行定点抛光试验。结果表明,采用具有迷宫纹理表面的抛光工具加工得到的表面质量最好,表面粗糙度为10 nm。上述针对弹性基体固结磨料磨具磨抛硬脆材料的研究多侧重于磨具设计制备以及磨抛工艺方法研究,然而针对弹性基体固结磨料磨具磨抛过程中的磨粒运动状态及其作用下的材料去除机理等相关研究鲜有报道。本文以硅橡胶为基体材料混合微米级金刚石磨料制备弹性基体软固结磨料磨具,深入分析外力作用下弹性基体内软固结磨粒的运动状态,并对弹性基体磨具与工件之间接触区域内的应力分布和速度分布进行研究。在此基础上,结合单颗磨粒材料去除机理与磨抛区域内有
25、效磨粒数量计算建立了弹性基体磨具磨抛过程的多因素材料去除模型。最后,通过石英玻璃的磨抛加工试验,验证材料去除模型的准确性。1弹性磨具磨抛机理1.1弹性基体软固结磨料磨具磨抛加工常规固结磨料磨具主要以金属、陶瓷、酚醛树脂等作为结合剂材料粘合磨料颗粒以实现特定形状磨具的制备,其磨削过程通过磨具与工件间的刚性接触式确定性加工完成材料去除及表面光整 16 。然而采用刚性基体固结磨料磨具加工时,磨具与工件间的刚性接触导致有效加工区域面积较小,并且容易出现因磨粒粒径差异导致的磨粒出刃等高性较差等问题,如图1a所示,只有少数较大粒径磨粒完成有效加工行为;同时,磨削过程中磨具作用于工件表面的法向磨削力主要由上
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