机械制造及其自动化专业毕业论文机械制造及其自动化专业毕业论文 精品论文精品论文 纳米结构硬质合纳米结构硬质合金磨削理论和工艺实验研究金磨削理论和工艺实验研究关键词：数学模型关键词：数学模型 纳米结构纳米结构 硬质合金硬质合金 磨削理论磨削理论 工艺实验工艺实验摘要：高硬度、高韧性和高耐磨损性的纳米结构硬质合金，在各种对材料有高 耐磨损性和高热稳定性要求的工程领域具有广泛的应用前景。纳米结构硬质合 金优异的物理机械性能有助于该类材料在工程中的应用，但高硬度、高耐磨损 的性能也使得对它的磨削加工变得非常困难。现阶段，对纳米结构硬质合金的 研究多集中在如何改善其物理机械性能、保持其质量的稳定性和对其耐磨损性 能的评价等材料学研究领域。还未对这类新型材料的机械加工理论（特别是磨 削理论）和相关加工工艺展开系统的研究。本文旨在通过理论建模和磨削工艺 实验，对纳米结构硬质合金的磨削理论和工艺进行了深入系统的研究： 首先， 介绍了纳米结构硬质合金的制备技术、应用领域和应用中的问题；回顾了工程 陶瓷磨削的主要研究成果，包括硬质合金的磨削机理和磨损机理研究成果；进 而提出了本文的研究结构和内容。 然后，分析了材料物理机械性能与磨削力 和磨削损伤之间的关系；在磨粒与工件相互干涉的运动学和几何学基础上，建 立了基于断裂力学理论的磨削力数学模型，并进一步建立了比磨削能数学模型。 数学模型说明磨削力和比磨削的大小与磨削工艺参数和材料的物理机械性能相 关。 接着，选用了四种具有不同 WC 晶粒度（从微米级到纳米级）的硬质合 金进行磨削工艺实验，分析磨削工艺参数和 WC 晶粒度对纳米结构硬质合金磨削 性能的影响规律。实验过程中采用实时测力系统采集三向磨削力；工艺实验后 用扫描电子显微镜、能谱仪、原子力显微镜、表面轮廓仪和 X 射线衍射仪分析 磨削后试样的表面形貌、表面粗糙度和材料去除机理；采用端面研磨腐蚀法、 直接腐蚀法和表面研磨法制备了亚表面磨削损伤观察的试样，观察了试样亚表 面的形貌和磨削损伤；采用 X 射线衍射法，分析残余应力在亚表面深度方向的 变化规律。 最后，比较了磨削工艺实验和理论模型预测的结果，揭示了材料 的物理机械性能和磨削工艺参数对磨削力、比磨削能、材料去除机理、表面形 貌、表面粗糙度和磨削损伤的影响规律。磨削力数学模型的预测结果与工艺实 验结果相吻合，证明本文中建立的磨削力数学模型正确。 随之，比磨削能数 学模型的正确性也被证实。在本文工艺实验条件下，虽然随着单颗磨粒最大未 变形切屑厚度增加，纳米结构硬质合金以脆性断裂方式去除的比例增加，但是 非弹性变形方式仍然是纳米结构硬质合金磨削主要的材料去除方式。纳米结构 硬质合金的表面粗糙度值随单颗磨粒最大未变形切屑厚度增加而单调递增。 磨削表面形貌和粗糙度值证实，树脂结合剂金刚石砂轮比陶瓷结合剂金刚石砂 轮更适合磨削纳米结构硬质合金。理论计算和工艺实验结果均表明，本文工艺 实验条件下在纳米结构硬质合金的磨削表面和亚表面中未发现宏观磨削裂纹。 纳米结构硬质合金亚表面中存在明显的磨削变质层，变质层的组织结构和平均 厚度与磨削工艺参数和合金的物理机械性能密切相关。在 X 射线透射深度范围 内，磨削表面的残余应力沿表面层深度方向存在明显的梯度变化，其分布和大 小与工艺实验参数有关。非弹性变形的材料去除方式是产生表面残余应力的主 要原因。 本文的数学模型和工艺实验研究成果揭示了纳米结构硬质合金的磨 削机理，其研究成果有助于推动该类新型材料在工程中更为广泛的应用。正文内容正文内容高硬度、高韧性和高耐磨损性的纳米结构硬质合金，在各种对材料有高耐 磨损性和高热稳定性要求的工程领域具有广泛的应用前景。纳米结构硬质合金 优异的物理机械性能有助于该类材料在工程中的应用，但高硬度、高耐磨损的 性能也使得对它的磨削加工变得非常困难。现阶段，对纳米结构硬质合金的研 究多集中在如何改善其物理机械性能、保持其质量的稳定性和对其耐磨损性能 的评价等材料学研究领域。还未对这类新型材料的机械加工理论（特别是磨削 理论）和相关加工工艺展开系统的研究。本文旨在通过理论建模和磨削工艺实 验，对纳米结构硬质合金的磨削理论和工艺进行了深入系统的研究： 首先， 介绍了纳米结构硬质合金的制备技术、应用领域和应用中的问题；回顾了工程 陶瓷磨削的主要研究成果，包括硬质合金的磨削机理和磨损机理研究成果；进 而提出了本文的研究结构和内容。 然后，分析了材料物理机械性能与磨削力 和磨削损伤之间的关系；在磨粒与工件相互干涉的运动学和几何学基础上，建 立了基于断裂力学理论的磨削力数学模型，并进一步建立了比磨削能数学模型。 数学模型说明磨削力和比磨削的大小与磨削工艺参数和材料的物理机械性能相 关。 接着，选用了四种具有不同 WC 晶粒度（从微米级到纳米级）的硬质合 金进行磨削工艺实验，分析磨削工艺参数和 WC 晶粒度对纳米结构硬质合金磨削 性能的影响规律。实验过程中采用实时测力系统采集三向磨削力；工艺实验后 用扫描电子显微镜、能谱仪、原子力显微镜、表面轮廓仪和 X 射线衍射仪分析 磨削后试样的表面形貌、表面粗糙度和材料去除机理；采用端面研磨腐蚀法、 直接腐蚀法和表面研磨法制备了亚表面磨削损伤观察的试样，观察了试样亚表 面的形貌和磨削损伤；采用 X 射线衍射法，分析残余应力在亚表面深度方向的 变化规律。 最后，比较了磨削工艺实验和理论模型预测的结果，揭示了材料 的物理机械性能和磨削工艺参数对磨削力、比磨削能、材料去除机理、表面形 貌、表面粗糙度和磨削损伤的影响规律。磨削力数学模型的预测结果与工艺实 验结果相吻合，证明本文中建立的磨削力数学模型正确。 随之，比磨削能数 学模型的正确性也被证实。在本文工艺实验条件下，虽然随着单颗磨粒最大未 变形切屑厚度增加，纳米结构硬质合金以脆性断裂方式去除的比例增加，但是 非弹性变形方式仍然是纳米结构硬质合金磨削主要的材料去除方式。纳米结构 硬质合金的表面粗糙度值随单颗磨粒最大未变形切屑厚度增加而单调递增。 磨削表面形貌和粗糙度值证实，树脂结合剂金刚石砂轮比陶瓷结合剂金刚石砂 轮更适合磨削纳米结构硬质合金。理论计算和工艺实验结果均表明，本文工艺 实验条件下在纳米结构硬质合金的磨削表面和亚表面中未发现宏观磨削裂纹。 纳米结构硬质合金亚表面中存在明显的磨削变质层，变质层的组织结构和平均 厚度与磨削工艺参数和合金的物理机械性能密切相关。在 X 射线透射深度范围 内，磨削表面的残余应力沿表面层深度方向存在明显的梯度变化，其分布和大 小与工艺实验参数有关。非弹性变形的材料去除方式是产生表面残余应力的主 要原因。 本文的数学模型和工艺实验研究成果揭示了纳米结构硬质合金的磨 削机理，其研究成果有助于推动该类新型材料在工程中更为广泛的应用。 高硬度、高韧性和高耐磨损性的纳米结构硬质合金，在各种对材料有高耐磨损 性和高热稳定性要求的工程领域具有广泛的应用前景。纳米结构硬质合金优异 的物理机械性能有助于该类材料在工程中的应用，但高硬度、高耐磨损的性能 也使得对它的磨削加工变得非常困难。现阶段，对纳米结构硬质合金的研究多集中在如何改善其物理机械性能、保持其质量的稳定性和对其耐磨损性能的评 价等材料学研究领域。还未对这类新型材料的机械加工理论（特别是磨削理论） 和相关加工工艺展开系统的研究。本文旨在通过理论建模和磨削工艺实验，对 纳米结构硬质合金的磨削理论和工艺进行了深入系统的研究： 首先，介绍了 纳米结构硬质合金的制备技术、应用领域和应用中的问题；回顾了工程陶瓷磨 削的主要研究成果，包括硬质合金的磨削机理和磨损机理研究成果；进而提出 了本文的研究结构和内容。 然后，分析了材料物理机械性能与磨削力和磨削 损伤之间的关系；在磨粒与工件相互干涉的运动学和几何学基础上，建立了基 于断裂力学理论的磨削力数学模型，并进一步建立了比磨削能数学模型。数学 模型说明磨削力和比磨削的大小与磨削工艺参数和材料的物理机械性能相关。 接着，选用了四种具有不同 WC 晶粒度（从微米级到纳米级）的硬质合金进行磨 削工艺实验，分析磨削工艺参数和 WC 晶粒度对纳米结构硬质合金磨削性能的影 响规律。实验过程中采用实时测力系统采集三向磨削力；工艺实验后用扫描电 子显微镜、能谱仪、原子力显微镜、表面轮廓仪和 X 射线衍射仪分析磨削后试 样的表面形貌、表面粗糙度和材料去除机理；采用端面研磨腐蚀法、直接腐蚀 法和表面研磨法制备了亚表面磨削损伤观察的试样，观察了试样亚表面的形貌 和磨削损伤；采用 X 射线衍射法，分析残余应力在亚表面深度方向的变化规律。最后，比较了磨削工艺实验和理论模型预测的结果，揭示了材料的物理机械 性能和磨削工艺参数对磨削力、比磨削能、材料去除机理、表面形貌、表面粗 糙度和磨削损伤的影响规律。磨削力数学模型的预测结果与工艺实验结果相吻 合，证明本文中建立的磨削力数学模型正确。 随之，比磨削能数学模型的正 确性也被证实。在本文工艺实验条件下，虽然随着单颗磨粒最大未变形切屑厚 度增加，纳米结构硬质合金以脆性断裂方式去除的比例增加，但是非弹性变形 方式仍然是纳米结构硬质合金磨削主要的材料去除方式。纳米结构硬质合金的 表面粗糙度值随单颗磨粒最大未变形切屑厚度增加而单调递增。 磨削表面形 貌和粗糙度值证实，树脂结合剂金刚石砂轮比陶瓷结合剂金刚石砂轮更适合磨 削纳米结构硬质合金。理论计算和工艺实验结果均表明，本文工艺实验条件下 在纳米结构硬质合金的磨削表面和亚表面中未发现宏观磨削裂纹。 纳米结构 硬质合金亚表面中存在明显的磨削变质层，变质层的组织结构和平均厚度与磨 削工艺参数和合金的物理机械性能密切相关。在 X 射线透射深度范围内，磨削 表面的残余应力沿表面层深度方向存在明显的梯度变化，其分布和大小与工艺 实验参数有关。非弹性变形的材料去除方式是产生表面残余应力的主要原因。 本文的数学模型和工艺实验研究成果揭示了纳米结构硬质合金的磨削机理，其 研究成果有助于推动该类新型材料在工程中更为广泛的应用。 高硬度、高韧性和高耐磨损性的纳米结构硬质合金，在各种对材料有高耐磨损 性和高热稳定性要求的工程领域具有广泛的应用前景。纳米结构硬质合金优异 的物理机械性能有助于该类材料在工程中的应用，但高硬度、高耐磨损的性能 也使得对它的磨削加工变得非常困难。现阶段，对纳米结构硬质合金的研究多 集中在如何改善其物理机械性能、保持其质量的稳定性和对其耐磨损性能的评 价等材料学研究领域。还未对这类新型材料的机械加工理论（特别是磨削理论） 和相关加工工艺展开系统的研究。本文旨在通过理论建模和磨削工艺实验，对 纳米结构硬质合金的磨削理论和工艺进行了深入系统的研究： 首先，介绍了 纳米结构硬质合金的制备技术、应用领域和应用中的问题；回顾了工程陶瓷磨 削的主要研究成果，包括硬质合金的磨削机理和磨损机理研究成果；进而提出了本文的研究结构和内容。 然后，分析了材料物理机械性能与磨削力和磨削 损伤之间的关系；在磨粒与工件相互干涉的运动学和几何学基础上，建立了基 于断裂力学理论的磨削力数学模型，并进一步建立了比磨削能数学模型。数学 模型说明磨削力和比磨削的大小与磨削工艺参数和材料的物理机械性能相关。 接着，选用了四种具有不同 WC 晶粒度（从微米级到纳米级）的硬质合金进行磨 削工艺实验，分析磨削工艺参数和 WC 晶粒度对纳米结构硬质合金磨削性能的影 响规律。实验过程中采用实时测力系统采集三向磨削力；工艺实验后用扫描电 子显微镜、能谱仪、原子力显微镜、表面轮廓仪和 X 射线衍射仪分析磨削后试 样的表面形貌、表面粗糙度和材料去除机理；采用端面研磨腐蚀法、直接腐蚀 法和表面研磨法制备了亚表面磨削损伤观察的试样，观察了试样亚表面的形貌 和磨削损伤；采用 X 射线衍射法，分析残余应力在亚表面深度方向的变化规律。最后，比较了磨削工艺实验和理论模型预测的结果，揭示了材料的物理机