单颗金刚石磨粒切削氮化硅陶瓷仿真与试验研究

doi:10.3901/JME.2015.21.191

机械工程学报 ›› 2015, Vol. 51 ›› Issue (21): 191-198.doi: 10.3901/JME.2015.21.191

扫码分享

单颗金刚石磨粒切削氮化硅陶瓷仿真与试验研究

刘伟¹, 邓朝晖^{2, 3}, 万林林^{2, 3}, 赵小雨^{2, 3}, 皮舟^{2, 3}

1. 湖南大学机械与运载工程学院长沙 410082；
2. 湖南科技大学机电工程学院湘潭 411201；
3. 湖南科技大学难加工材料高效精密加工湖南省重点实验室湘潭 411201

收稿日期:2014-11-29 修回日期:2015-06-30 出版日期:2015-11-05 发布日期:2015-11-05
通讯作者: 邓朝晖，男，1968年出生，博士，教授，博士研究生导师。主要研究方向为高效精密智能制造(磨削)技术。 E-mail：edeng0080@vip.sina.com
作者简介:刘伟，男，1986年出生，博士研究生。主要研究方向为高效精密智能制造(磨削)技术。 E-mail：toftliuwei_1986@163.com
基金资助:
国家自然科学基金(51505144，51405152)、难加工材料高效精密加工湖南省重点实验室开放基金(E21539)和高等学校博士学科点专项科研基金(20110161110032)资助项目

Simulation and Experiment Study for Silicon Nitride Cutting with Single Diamond Grain

LIU Wei ¹, DENG Zhaohui ^{2, 3}, WAN Linlin ^{2, 3}, ZHAO Xiaoyu ^{2, 3}, PI Zhou ^{2, 3}

1. College of Mechanical and Vehicle Engineering, Hunan University, Changsha 410082;
2. College of Mechanical and Electrical Engineering, Hunan University of Science Technology, Xiangtan 411201;
3. Hunan Provincial Key Laboratory of High Efficiency and Precision Machining of Difficult to Machine Materials, Hunan University of Science Technology, Xiangtan 411201

Received:2014-11-29 Revised:2015-06-30 Online:2015-11-05 Published:2015-11-05

摘要/Abstract

摘要： 为探索氮化硅陶瓷单颗磨粒切削加工的机理，进行单颗金刚石磨粒切削氮化硅陶瓷的仿真与试验。选用截角八面体模拟金刚石磨粒，基于Johnson-Holmquist ceramic硬脆材料本构模型，采用有限元网格法进行单颗磨粒直线切削仿真，分析工件材料的切屑去除、划痕形貌、应力动态变化与分布、切削力变化等现象，以及工艺参数对切削力的影响。制备单颗金刚石磨粒工具，在平面磨床上进行单颗磨粒切削氮化硅陶瓷的试验，进一步分析划痕形貌、切削力的变化，并验证有限元仿真的正确性。研究表明，划痕光直平整，塑性隆起很少，边缘存在较大尺寸的破碎，划痕内有局部小尺寸的破碎；划痕的深度和宽度比磨粒的切削深度和宽度尺寸略大。应力与切削力存在动态波动。随着砂轮速度的增加，切向力和法向力减小；随着切削深度的增加，切向力和法向力增大。切削力比在4～6之间变化。

关键词: Johnson-Holmquist ceramic, 氮化硅, 截角八面体, 有限元仿真, 单颗磨粒

Abstract: To explore the mechanism of silicon nitride cutting with single grain, simulation and experimental are carried out on silicon nitride cutting with single diamond grain. Choosing truncated octahedron to simulate diamond grain, based on the Johnson-Holmquist ceramic brittle material constitutive model, the single grain linear cutting simulation is modeled by finite element method. The phenomena is analyzed for workpiece material chips, scratches morphology, stress changes and distribution, and cutting forces changes, and the effect of process parameters on the cutting force is studied. With the preparation of single diamond grain tools, the silicon nitride cutting experiments are carried on surface grinding machine with cutting depth changing, to further analyze the changes of scratches morphology and cutting forces, and verify the correctness of finite element simulation. The results show that the scratches are direct and brightness, little plastic ridges, with the larger size of broken edge and small partially broken; the scratch depth and width are slightly larger than the grain cutting depth and width. Fluctuations are existed in stress and cutting force. As the wheel speed increases, the tangential force and normal force reduce; cutting depth increases, the tangential force and normal force increase. The cutting force ratio is changing between 4 and 6.

Key words: finite element simulation, Johnson-Holmquist ceramic, silicon nitride, truncated octahedron, single grain

刘伟, 邓朝晖, 万林林, 赵小, 皮舟. 单颗金刚石磨粒切削氮化硅陶瓷仿真与试验研究[J]. 机械工程学报, 2015, 51(21): 191-198.

LIU Wei, DENG Zhaohui, WAN Linlin, ZHAO Xiaoyu, PI Zhou . Simulation and Experiment Study for Silicon Nitride Cutting with Single Diamond Grain[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2015, 51(21): 191-198.

导出引用管理器 EndNote|Reference Manager|ProCite|BibTeX|RefWorks

链接本文: http://www.cjmenet.com.cn/CN/10.3901/JME.2015.21.191

http://www.cjmenet.com.cn/CN/Y2015/V51/I21/191

参考文献

[1] 李伯民，赵波. 现代磨削技术[M]. 北京：机械工业出版社，2003. LI Bomin，ZHAO Bo. Modern grinding technology[M]. Beijing：China Machine Press，2003.
[2] 言兰，姜峰，融亦鸣. 基于数值仿真技术的单颗磨粒切削机理[J]. 机械工程学报，2012，48(11)：172-182. YAN Lan，JIANG Feng，RONG Yiming. Grinding mechanism based on single grain cutting simulation[J]. Journal of Mechanical Engineering，2012，48(11)：172-182.
[3] DOMAN D A. Rubbing & plowing phases in single grain grinding[D]. Canada：Dalhousie University，2008.
[4] ZHANG P，ZHAO H，SHI C，et al. Influence of double-tip scratch and single-tip scratch on nano-scratching process via molecular dynamics simulation[J]. Applied Surface Science，2013，280：751-756.
[5] 段念，王文珊，于怡青，等. 基于FEM 与SPH 耦合算法的单颗磨粒切削玻璃的动态过程仿真[J]. 中国机械工程，2013，24(20)：2716-2721. DUAN Nian，WANG Wenshan，YU Yiqing，et al. Dynamic simulation of single grain cutting of glass by coupling FEM and SPH[J]. China Mechanical Engineering，2013，24(20)：2716-2721.
[6] JOHNSON G R，HOLMQUIST T J. An improved computational constitutive model for brittle materials[C]// AIP Conference Proceedings，American Institute of Physics，1994，309：981-984.
[7] PELLETIER H，GAUTHIER C，SCHIRRER R. Experimental and finite-element analysis of scratches on amorphous polymeric surfaces[J]. Journal of Engineering Tribology，2008，222(3)：221-230.
[8] 宿崇，许立，刘元伟，等. 基于SPH法的CBN磨粒切削过程数值模拟[J]. 中国机械工程，2013，24(5)：667-671. SU Chong，XU Li，LIU Yuanwei，et al. Numerical simulation of cutting process of CBN grit based on SPH method[J]. China Mechanical Engineering，2013，24(5)：667-671.
[9] 言兰. 基于单颗磨粒切削的淬硬模具钢磨削机理研究[D]. 长沙：湖南大学，2010.YAN Lan. Research on grinding mechanism of hardened cold-work die steel based on single grain cutting[D]. Changsha：Hunan University，2011.
[10] KLECKA M，SUBHASH G. Grain size dependence of scratch-induced damage in alumina ceramics[J]. Wear，2008，265(5-6)：612-619.
[11] MALKIN S. Grinding technology theory and applications of machining with abrasives[M]. America：Halsted Press，1989.
[12] TOUPIN R A. Saint-Venant’s principle[J]. Archive for Rational Mechanics and Analysis，1965，18(2)：83-96.
[13] LAMBERTS A P T M J. Numerical simulation of ballistic impacts on ceramic material[D]. Nederland：Eindhoven University of Technology，2007.
[14] 田霖，傅玉灿，杨路，等. 基于速度效应的高温合金高速超高速磨削成屑过程及磨削力研究[J]. 机械工程学报，2013，49(9)：169-177. TIAN Lin，FU Yucan，YANG Lu，et al. Investigations of the “speed effect” on critical thickness of chip formation and grinding force in high speed and ultra-high speed grinding of superalloy[J]. Journal of Mechanical Engineering，2013，49(9)：169-177.
[15] 邓朝晖. 纳米结构陶瓷涂层精密磨削机理及仿真预报技术的研究[D]. 长沙：湖南大学，2004. DENG Zhaohui. The research on the precision grinding mechanisms and simulation prediction techniques for nanostructured ceramic coatings [D]. Changsha：Hunan University，2004.

单颗金刚石磨粒切削氮化硅陶瓷仿真与试验研究

Simulation and Experiment Study for Silicon Nitride Cutting with Single Diamond Grain

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

参考文献

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	李东洁, 梁雨, 姚钢, 高伟达, 荣伟彬, 杨柳, 张宇. 脑胶质瘤放化疗微腔囊结构设计及其剂量分布与动态响应研究[J]. 机械工程学报, 2026, 62(7): 405-417.
[2]	赵巍, 常佳俊, 魏青松, 吴甲民, 叶春生, 黄双君. 氮化硅结合硅溶胶浸渗对黏结剂喷射成形氧化铝陶瓷型芯性能的影响[J]. 机械工程学报, 2026, 62(5): 287-296.
[3]	李家程, 卢坤, 席翔, 石岩, 孙江坤, 吴学忠, 肖定邦. 基于离子束刻蚀的未镀膜熔融石英微半球谐振结构频率裂解修调技术研究[J]. 机械工程学报, 2026, 62(5): 319-328.
[4]	于萌辰, 宋彰桓, 张铭豪, 霍鲁斌, 曹勇, 曹增强. 钛螺纹空心铆钉电磁拉铆成形工艺研究[J]. 机械工程学报, 2026, 62(2): 218-228.
[5]	李先航, 庞勇, 张海瑞, 宋学官, 阳加远, 方伟光. 面向变后掠飞行器的蜂窝结构设计与优化[J]. 机械工程学报, 2026, 62(1): 137-147.
[6]	傅国宇, 李皓, 武卫洲, 李士鹏, 赵庆, 秦旭达. 碳纤维增强复合材料钻削过程跨尺度三维数值建模及损伤形成机理研究[J]. 机械工程学报, 2025, 61(7): 144-155.
[7]	韩腊, 邵坤, 赵梁, 张俊杰. 基于切削速度调控的CFRP/Ti叠层切削加工界面缺陷抑制工艺研究[J]. 机械工程学报, 2025, 61(7): 198-209.
[8]	向红标, 赵向虹, 杨璐, 王收军, 张森, 张冕. 面向工作空间需求的磁性连续体操作手结构逆向设计与优化[J]. 机械工程学报, 2025, 61(19): 101-111.
[9]	陈思, 高驰, 杨传壮, 瞿曹妍, 茹伟民, 许彬, 顾成义, 顾海娟, 唐杰. 基于有限元分析的指尖接触力感知模型研究[J]. 机械工程学报, 2025, 61(11): 376-385.
[10]	隗雨欣, 宋洪侠, 张园, 薛冠鸣, 康仁科, 鲍岩, 董志刚. 超声辅助钻削1J22软磁合金表面完整性研究[J]. 机械工程学报, 2025, 61(1): 345-359.
[11]	赵宇辉, 赵吉宾, 李明玥, 何振丰, 王志国, 贺晨. 激光熔化沉积TC4钛合金电涡流检测仿真及亚表面缺陷检测[J]. 机械工程学报, 2024, 60(14): 34-41.
[12]	赵妍, 李射, 崔向阳. 基于新型三角形壳元和多重动态自适应方法的薄板冲压成形分析[J]. 机械工程学报, 2024, 60(14): 153-165.
[13]	冯明祥, 蒋庆磊, 王旭艳. 零应力温度和模型简化对CCGA器件寿命评估的影响[J]. 机械工程学报, 2024, 60(12): 268-276.
[14]	吕黎曙, 邓朝晖, 岳文辉, 万林林, 刘涛. 单颗磨粒磨削机理与数据融合驱动的磨削过程建模分析[J]. 机械工程学报, 2023, 59(7): 200-215.
[15]	葛雪峰, 姜佳宝, 赵耀. 金属化膜电容器电热仿真分析^*[J]. 电气工程学报, 2023, 18(3): 224-231.