块体金属玻璃与高熵合金微磨削特性及工艺基础实验研究

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近些年,新型材料不断的涌现和快速的发展。所谓的新材料是指新出现的或正在发展中的,具有传统材料所不具备的优异性能和特殊功能的材料;或采用新技术(工艺,装备),使传统材料性能有明显提高或产生新功能的材料。新型材料的推广和应用在一定程度上也取决于其合理的机械加工工艺方法。随着科学技术的发展,微细小的零部件已经在许多重要领域起着重要作用。将新型材料应用在微细零部件上也将成为一种发展趋势。磨削作为一种特殊的金属切削加工方式,是利用形状和尺寸随机的磨粒将工件材料去除的一种机械加工方式。磨削加工是目前应用最为广泛的机械加工方法之一,在机械制造领域中占有十分重要的地位。随着零部件的细小化,机械加工方法也随之进行了相应的发展和改进,从而出现了微细机械加工技术,后来又发展到微纳米机械加工技术。微尺度磨削加工技术作为微细机械加工技术之一,其在微细加工领域的地位也是十分重要的。非晶态的块体金属玻璃(BMG)和高熵合金(HEA)作为新兴材料,其得到了快速的发展,其应用领域也在不断的扩展,甚至应用在十分重要和关键的领域,它们的应用和发展是离不开机械加工的。本文对Zr基BMG和HEA在微尺度磨削加工过程中的磨削特性进行了基础性和探索性的实验研究与分析,主要研究内容体现在以下几点:(1)本文使用了微尺度磨削的加工方法对Zr基BMGs进行了实验研究,实验过程使用了动态信号测试系统对磨削力进行了采集,对微尺度磨削过程中产生的磨削力进行了正交实验和单因素实验研究,得到了磨削参数对磨削力影响的显著程度。对Zr基BMG在微磨削加工方式下的磨削力比进行了实验研究。在不同的加工方式、不同磨削条件、不同的微磨削砂轮和不同的工件材料之间进行了磨削力的实验对比研究。根据实验结果可知,Zr基BMG的磨削力符合磨削力的理论模型。(2)根据磨削表面粗糙度理论公式和经验公式,由Zr基BMG的磨削表面粗糙度单因素实验结果,得到了 Zr基BMG在微尺度磨削加工方式下的磨削表面粗糙度经验公式。研究了不同磨削参数对Zr基BMG表面粗糙度的影响。在不同的加工方式、不同磨削条件、不同的微磨削砂轮和不同的工件材料之间进行了表面粗糙度的实验对比研究。观察了 Zr基BMG磨削加工后的磨削表面形貌和表面轮廓,并对其进行了分析。对Zr基BMG在微磨削加工后的变质层进行了简单的研究,测量了其厚度,并对其进行了能谱分析。(3)由于高的磨削温度会引起工件尺寸和形状误差,甚至造成表面的热损伤,因此,在磨削加工过程中要控制磨削区的温度。在传统的磨削加工过程中,磨削温度的测量就是相对不容易做到的,往往采集到的磨削温度值与实际的磨削温度值之间存在着较大的误差。在微尺度磨削加工中,磨削温度的测量将会更加的困难,因此,本文首先对Zr基BMG在微磨削加工中的单颗磨粒模型进行了有限元仿真,得到了仿真磨削温度值。这为Zr基BMG的微尺度磨削温度的研究提供了间接的依据。(4)对在微磨削过程中所产生的Zr基BMG的磨屑进行了观察和分析。观察Zr基BMG磨屑的形貌和形状,并对其进行了材料去除方式的分析。对CBN微磨削砂轮和金刚石微磨削砂轮的磨损情况进行了观察和分析。(5)最后对在非晶态合金的基础上发展而来的高熵合金进行了微磨削特性的实验研究。分别从磨削力、磨削表面粗糙度、磨削表面轮廓、磨屑形貌、砂轮的磨损情况以及磨削力和磨削温度的仿真进行了研究与分析。本文对块体金属玻璃和高熵合金的微尺度磨削特性进行了基础性的实验研究,并做了较为具体的分析。归纳和总结了块体金属玻璃和高熵合金在微磨削加工中的规律和变化趋势。这为块体金属玻璃和高熵合金的应用和发展奠定了一定的实验基础。
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