納米結構硬質合金磨削理論和工藝實驗研究.pdf

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

2、本文旨在通過理論建模和磨削工藝實驗，對納米結構硬質合金的磨削理論和工藝進行了深入系統(tǒng)的研究： 首先，介紹了納米結構硬質合金的制備技術、應用領域和應用中的問題；回顧了工程陶瓷磨削的主要研究成果，包括硬質合金的磨削機理和磨損機理研究成果；進而提出了本文的研究結構和內容。 然后，分析了材料物理機械性能與磨削力和磨削損傷之間的關系；在磨粒與工件相互干涉的運動學和幾何學基礎上，建立了基于斷裂力學理論的磨削力數學模型，并進一步建立了

3、比磨削能數學模型。數學模型說明磨削力和比磨削的大小與磨削工藝參數和材料的物理機械性能相關。 接著，選用了四種具有不同WC晶粒度（從微米級到納米級）的硬質合金進行磨削工藝實驗，分析磨削工藝參數和WC晶粒度對納米結構硬質合金磨削性能的影響規(guī)律。實驗過程中采用實時測力系統(tǒng)采集三向磨削力；工藝實驗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，比較了磨削工藝實驗和理論模型預測的結果，揭示了材料的物理機械性能和磨削工藝參數對磨削力、比磨削能、材料去除機理、表面形貌、表面粗糙度和磨削損傷的影響規(guī)律。磨削力數學模型的預測結果與工藝實驗結果相吻合，證明本文中建立的磨削力數學模型正確。 隨之，比磨削能數學模型的正確性也被證

5、實。在本文工藝實驗條件下，雖然隨著單顆磨粒最大未變形切屑厚度增加，納米結構硬質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構硬質合金磨削主要的材料去除方式。納米結構硬質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遞增。 磨削表面形貌和粗糙度值證實，樹脂結合劑金剛石砂輪比陶瓷結合劑金剛石砂輪更適合磨削納米結構硬質合金。理論計算和工藝實驗結果均表明，本文工藝實驗條件下在納米結構硬質合金的磨削表面和亞表

6、面中未發(fā)現宏觀磨削裂紋。 納米結構硬質合金亞表面中存在明顯的磨削變質層，變質層的組織結構和平均厚度與磨削工藝參數和合金的物理機械性能密切相關。在X射線透射深度范圍內，磨削表面的殘余應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驗參數有關。非彈性變形的材料去除方式是產生表面殘余應力的主要原因。 本文的數學模型和工藝實驗研究成果揭示了納米結構硬質合金的磨削機理，其研究成果有助于推動該類新型材料在工程中更為廣泛的