CN 41-1243/TG ISSN 1006-852X

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天然金刚石的超声辅助研磨工艺仿真与实验

裴雷钢 石广丰 陈嘉增 姚栋 杨永明 李俊烨

裴雷钢, 石广丰, 陈嘉增, 姚栋, 杨永明, 李俊烨. 天然金刚石的超声辅助研磨工艺仿真与实验[J]. 金刚石与磨料磨具工程, 2023, 43(6): 720-726. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0060
引用本文: 裴雷钢, 石广丰, 陈嘉增, 姚栋, 杨永明, 李俊烨. 天然金刚石的超声辅助研磨工艺仿真与实验[J]. 金刚石与磨料磨具工程, 2023, 43(6): 720-726. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0060
PEI Leigang, SHI Guangfeng, CHEN Jiazeng, YAO Dong, YANG Yongming, LI Junye. Simulation and experiment of ultrasonic-assisted grinding process for natural diamond[J]. Diamond & Abrasives Engineering, 2023, 43(6): 720-726. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0060
Citation: PEI Leigang, SHI Guangfeng, CHEN Jiazeng, YAO Dong, YANG Yongming, LI Junye. Simulation and experiment of ultrasonic-assisted grinding process for natural diamond[J]. Diamond & Abrasives Engineering, 2023, 43(6): 720-726. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0060

天然金刚石的超声辅助研磨工艺仿真与实验

doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0060
基金项目: 重庆市自然科学基金面上项目(cstc2021jcyj-msxmX1201); 吉林省教育厅科学技术研究规划项目(JJKH20230809KJ)。
详细信息
    通讯作者:

    石广丰,男,1981年生,博士、教授、博士生导师。主要研究方向:精密与超精密加工检测及装备。E-mail:shiguangfeng@cust.edu.cn

  • 中图分类号: TQ164; TG58

Simulation and experiment of ultrasonic-assisted grinding process for natural diamond

  • 摘要:

    为提高天然金刚石研磨的表面质量,引入超声振动进行复合研磨加工,建立非弹性碰撞理论模型,计算超声振动幅值。以表面粗糙度为指标,研究超声振幅、研磨转速、磨粒粒度相关工艺参数对天然金刚石(100)晶面材料去除的影响,并寻求最优工艺参数。结果表明:(110)晶面易磨方向的振幅取值范围为3.1~8.7 μm,(100)晶面易磨方向的振幅取值范围为2.9~9.1 μm。通过正交实验获取的(110)晶面研磨最优工艺组合参数是超声振幅为6.0 μm,研磨盘转速为2 800 r/min,金刚石磨粒粒度代号为M3/6。与传统机械研磨相比,超声辅助研磨后的金刚石(100)晶面表面粗糙度Ra为16.21 nm,同比下降了63.83%。超声辅助研磨天然金刚石可以获得比传统机械研磨更好的表面质量。

     

  • 图  1  金刚石的易难磨方向[10]

    Figure  1.  Easy and difficult grinding directions of diamond[10]

    图  2  非弹性碰撞理论模型

    Figure  2.  Inelastic collision theoretical model

    图  3  (100)晶面不同超声振动幅度下的应力与温度变化

    Figure  3.  Stress and temperature changes of (100) crystal plane under different ultrasonic vibration amplitudes

    图  4  超声辅助研磨实验平台

    Figure  4.  Ultrasonic vibration grinding test platform

    图  5  1~9条件下超声辅助研磨的天然金刚石表面粗糙度

    Figure  5.  Surface roughness of natural diamond after ultrasonic assisted grinding under 1 to 9 conditions

    图  6  传统和超声研磨的天然金刚石表面粗糙度

    Figure  6.  Surface roughness of natural diamond by traditional and ultrasonic grinding

    图  7  天然金刚石的表面微观形貌

    Figure  7.  Surface microstructure of natural diamond

    表  1  动态脆塑转变临界研磨深度值[12]

    Table  1.   Critical grinding depth values of dynamic brittle plastic transition[12]

    易难研磨
    方向数值
    晶面
    (110)(100)
    易磨值 acp1 / nm12.37.7
    难磨值 acp2 / nm 3.53.1
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    表  2  超声振幅理论计算值

    Table  2.   Ultrasonic amplitude theoretical calculation values

    振幅晶面
    (110)(100)
    最小值 Amin / μm3.12.9
    最大值 Amax / μm8.79.1
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    表  3  (100)晶面的JH-2本构模型参数

    Table  3.   JH-2 constitutive model parameters of (100) crystal plane

    参数取值
    ρ / (ton/mm3)2.50×10−9
    E / MPa1.05×10−6
    D1 / MPa0.35
    D2 / MPa0.35
    K1 / MPa4.42×105
    K2 / MPa5.62×105
    K3 / MPa0.00
    HEL / MPa1.5×104
    PHEL / MPa6.0×103
    A0.95
    B0.40
    C0.00
    M1.00
    N0.70
    β1.00
    Fs0.50
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    表  4  超声研磨因素及水平

    Table  4.   Factors and levels of ultrasonic grinding

    水平
    因素
    超声振幅
    A / μm
    B
    研磨盘转速
    n / (r·rmin−1)
    C
    磨料粒度代号
    W
    D
    13.02 600M1/2
    26.02 800M2/4
    39.03 000M3/6
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    表  5  正交实验结果

    Table  5.   Orthogonal test results

    条件编号BCD表面粗糙度 Ra / nm
    111128.02
    212232.24
    313325.73
    421219.44
    522322.03
    623124.46
    731328.25
    832118.04
    933232.76
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    表  6  极差分析结果

    Table  6.   Analysis results of extreme differences

    水平BCD
    128.66325.23723.507
    221.97724.10328.147
    326.35027.65021.070
    极差 6.686 3.547 4.640
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-03-14
  • 修回日期:  2023-03-29
  • 录用日期:  2023-03-31
  • 网络出版日期:  2023-04-03
  • 刊出日期:  2023-12-01

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