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基于超声振动一电镀 金刚石线锯切割硬脆材料技术及机理研究 学生姓名：徐忠海 班级：130313 指导老师：宋文庆 摘要 ： 随着硬脆材料应用的口益广泛，对其切割加工技术的要求也越来越高。为解 决硬脆材料切割加工工艺、特别是稀有贵重硬脆材料切割工艺中的某些技术问题。 本文在系统总结了国内外大量文献资料的基础上，通过实验研究与理论分析相结 合的方法，利用自行制造的完全具有自主知识产权的超声线切割加工机床进行了 加工实验，对超声线切割加工机理与工艺进行了深入研究，丰富和完善了超声波 加工技术现有的理论成果，该研究课题具有较大的理论和实际意义。 研究对各部分之间的连接方式进行了分析和研究。在研究分析已有的硬脆材料去除机理的基础上，提出了超声波线切割的加工机理，基于压痕断裂理论，建立了材料去除率的理论模型，从模型可以看出材料去除率与线锯往复运动频率、侧向压力、振动频率、振幅、工件材料性能等参数有关。并通过实验进行了验证，证明所建立模型的正确性。实践表明其材料去除率是普通线切割的2. 5}-4. 5倍，其加工表面质量得到了提高和改善。 建立了超声波线切割锯切力的理论模型。该模型以分析单个金刚石颗粒的锯 切力为基础，综合考虑了锯丝速度、工件进给速度、锯丝参数和工件性质对锯切 力的影响。建立了金刚石颗粒和镍镀层受力情况的有限元模型，分析了锯切时的 应力状态，并由此分析了金刚石颗粒破碎和脱落的原因。研究认为，锯切过程中， 金刚石颗粒以及金刚石颗粒与镍镀层接触部分的应力都很小，一般不会造成金刚 石颗粒的破碎和脱落，造成破碎和脱落的主要原因是在锯切时的机械冲击作用以 及锯切过程中由于严重摩擦产生的锯切热。超声波线切割和普通线切割相比其平 均锯切力小、锯切温度要降低，线锯的使用寿命变长。 关键词: 超声加工，金刚石线锯，切割加工，硬脆材料 主要创新点 建立了超声波线切割锯切力的理论模型，以分析单个金刚石颗粒的锯切力为基础，综合考虑了锯丝速度、工件进给速度、锯丝参数和工件性质对锯切力的影响。该研究课题具有理论和实际意义。 目录 第1章 绪论1 1.1本课题的研究背景1 1.2硬脆材料加工方法综述2 1.2.1圆盘锯切割2 1.2.2带锯切割3 1.2.3线锯切割4 1.3超声加工技术国内外的发展概况及发展趋势 4 1.3.1超声加工技术国内外的发展概况 4 1.3.2超声加工技术的发展趋势 6 1.4本课题的主要研究内容 8 第2章 超声线切割加工机理及材料去除率理论分析9 2.1硬脆材料去除机理9 2.1.1硬脆材料的锯切过程9 2.1.2硬脆材料的压痕断裂力学10 2.2.1超声加工机理12 2.2.2超声加工材料去除率模型13 2.3超声线切割的加工机理与材料去除率模型15 2.3.1超声线切割加工机理15 2.3.2超声线切割加工的材料去除率模型15 2.4材料去除率的实验研究16 2.4.1线锯的往复运动频率对材料去除率的影响16 2.5本章小结17 第3章锯切力的理论分析及金刚石颗粒与镍镀层受力的有限元分析18 3.1金刚石线锯锯切力数学模型的建立18 3.1.1锯切力的数学模型18 3.1.2单个金刚石颗粒所受的锯切力18 3.2金刚石颗粒及镍镀层受力状态的有限元分析19 3.2.1金刚石颗粒及镍镀层受力状态有限元模型的建立19 3.2.2计算参数及载荷施加20 3.3本章小结22 结论 24 参考文献26 致谢 28 第  PAGE \* MERGEFORMAT 37 页 第1章绪论 1. 1本课题的研究背景 随着材料科学的不断发展，各种高性能材料不断出现，它们在工程上具有良好的应用前景。先进陶瓷材料是现代材料科学发展的重要成果，科学家们曾经预言，20世纪是塑料世纪，而21世纪将是陶瓷世纪。进入21世纪，已经表明以陶瓷材料为代表的硬脆材料已经同金属材料、复合材料一样正在成为现代工程结构的三大重要支柱之一。 随着我国工业的飞速发展，硬脆材料在各个领域的应用已经口益普遍。硬脆材料主要包括各种石材、宝石、玻璃、硅晶体、石英晶体、硬质合金、陶瓷、稀土磁性材料等。硬脆材料大多为非导电体或半导体，通常具有高硬度、高脆性、高耐磨性、高抗蚀