納米結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金磨削理論和工藝實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、高硬度、高韌性和高耐磨損性的納米結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金，在各種對(duì)材料有高耐磨損性和高熱穩(wěn)定性要求的工程領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。納米結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金優(yōu)異的物理機(jī)械性能有助于該類材料在工程中的應(yīng)用，但高硬度、高耐磨損的性能也使得對(duì)它的磨削加工變得非常困難?，F(xiàn)階段，對(duì)納米結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金的研究多集中在如何改善其物理機(jī)械性能、保持其質(zhì)量的穩(wěn)定性和對(duì)其耐磨損性能的評(píng)價(jià)等材料學(xué)研究領(lǐng)域。還未對(duì)這類新型材料的機(jī)械加工理論（特別是磨削理論）和相關(guān)加工工藝展開系統(tǒng)的研究。

2、本文旨在通過理論建模和磨削工藝實(shí)驗(yàn)，對(duì)納米結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金的磨削理論和工藝進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究： 首先，介紹了納米結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金的制備技術(shù)、應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用中的問題；回顧了工程陶瓷磨削的主要研究成果，包括硬質(zhì)合金的磨削機(jī)理和磨損機(jī)理研究成果；進(jìn)而提出了本文的研究結(jié)構(gòu)和內(nèi)容。 然后，分析了材料物理機(jī)械性能與磨削力和磨削損傷之間的關(guān)系；在磨粒與工件相互干涉的運(yùn)動(dòng)學(xué)和幾何學(xué)基礎(chǔ)上，建立了基于斷裂力學(xué)理論的磨削力數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)一步建立了

3、比磨削能數(shù)學(xué)模型。數(shù)學(xué)模型說明磨削力和比磨削的大小與磨削工藝參數(shù)和材料的物理機(jī)械性能相關(guān)。 接著，選用了四種具有不同WC晶粒度（從微米級(jí)到納米級(jí)）的硬質(zhì)合金進(jìn)行磨削工藝實(shí)驗(yàn)，分析磨削工藝參數(shù)和WC晶粒度對(duì)納米結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金磨削性能的影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)過程中采用實(shí)時(shí)測(cè)力系統(tǒng)采集三向磨削力；工藝實(shí)驗(yàn)后用掃描電子顯微鏡、能譜儀、原子力顯微鏡、表面輪廓儀和X射線衍射儀分析磨削后試樣的表面形貌、表面粗糙度和材料去除機(jī)理；采用端面研磨腐蝕法、直接

4、腐蝕法和表面研磨法制備了亞表面磨削損傷觀察的試樣，觀察了試樣亞表面的形貌和磨削損傷；采用X射線衍射法，分析殘余應(yīng)力在亞表面深度方向的變化規(guī)律。 最后，比較了磨削工藝實(shí)驗(yàn)和理論模型預(yù)測(cè)的結(jié)果，揭示了材料的物理機(jī)械性能和磨削工藝參數(shù)對(duì)磨削力、比磨削能、材料去除機(jī)理、表面形貌、表面粗糙度和磨削損傷的影響規(guī)律。磨削力數(shù)學(xué)模型的預(yù)測(cè)結(jié)果與工藝實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合，證明本文中建立的磨削力數(shù)學(xué)模型正確。 隨之，比磨削能數(shù)學(xué)模型的正確性也被證

5、實(shí)。在本文工藝實(shí)驗(yàn)條件下，雖然隨著單顆磨粒最大未變形切屑厚度增加，納米結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金以脆性斷裂方式去除的比例增加，但是非彈性變形方式仍然是納米結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金磨削主要的材料去除方式。納米結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金的表面粗糙度值隨單顆磨粒最大未變形切屑厚度增加而單調(diào)遞增。 磨削表面形貌和粗糙度值證實(shí)，樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪比陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪更適合磨削納米結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金。理論計(jì)算和工藝實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，本文工藝實(shí)驗(yàn)條件下在納米結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金的磨削表面和亞表

6、面中未發(fā)現(xiàn)宏觀磨削裂紋。 納米結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金亞表面中存在明顯的磨削變質(zhì)層，變質(zhì)層的組織結(jié)構(gòu)和平均厚度與磨削工藝參數(shù)和合金的物理機(jī)械性能密切相關(guān)。在X射線透射深度范圍內(nèi)，磨削表面的殘余應(yīng)力沿表面層深度方向存在明顯的梯度變化，其分布和大小與工藝實(shí)驗(yàn)參數(shù)有關(guān)。非彈性變形的材料去除方式是產(chǎn)生表面殘余應(yīng)力的主要原因。 本文的數(shù)學(xué)模型和工藝實(shí)驗(yàn)研究成果揭示了納米結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金的磨削機(jī)理，其研究成果有助于推動(dòng)該類新型材料在工程中更為廣泛的