微細(xì)磨削表面成型機(jī)理的研究淺析

陶瓷材料由于其具有高熔點(diǎn)、高硬度、高耐磨性、耐氧化性及絕緣性而廣泛應(yīng)用于航空航天、電子電氣、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。與此同時(shí)，對(duì)于由陶瓷材料制作成的微細(xì)部件的市場(chǎng)需求也在日益增加，但是，考慮到陶瓷材料本身屬于硬脆的難加工材料，很難使用普通的加工方式對(duì)其進(jìn)行加工，這也引起了微細(xì)磨削工藝在加工陶瓷材料領(lǐng)域的巨大發(fā)展。比如，使用微細(xì)筆狀磨削刀具或者超薄刀片的微細(xì)磨削加工。與以其他刀具為基礎(chǔ)的微細(xì)加工工藝相比較而言，微細(xì)磨削在加工硬脆材料時(shí)有若干優(yōu)點(diǎn)。

改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)規(guī)劃工作取得重大進(jìn)展，國(guó)土空間規(guī)劃取得積極成效，但規(guī)劃編制工作仍存在一些問(wèn)題。經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展轉(zhuǎn)型必然對(duì)空間優(yōu)化提出相應(yīng)需求。高質(zhì)量發(fā)展落實(shí)到國(guó)土空間上，要通過(guò)高質(zhì)量規(guī)劃實(shí)現(xiàn)國(guó)土空間高質(zhì)量開(kāi)發(fā)利用，保障和促進(jìn)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展。

微細(xì)筆狀磨削刀具相較雕刻機(jī)而言的優(yōu)點(diǎn)在于可以靈活地生產(chǎn)復(fù)雜三維微觀結(jié)構(gòu)。磨削刀具上的磨料顆粒通過(guò)多種物理或者化學(xué)方法被覆蓋在圓柱型的基體上，比如，電鍍、化學(xué)鍍、電鑄、冷噴涂及CVD(化學(xué)氣相沉積)。與傳統(tǒng)的砂輪相類似的是，無(wú)論是哪種方法，磨粒的位置與方向都是隨機(jī)的。在材料去除機(jī)理方面，傳統(tǒng)磨削加工與微細(xì)磨削加工是一定可比性的，也就是說(shuō)，單獨(dú)一個(gè)磨粒在與工件表面的切割去料過(guò)程中所引起的摩擦、耕犁、剪切變形的模式是可比較的。與基于其他刀具的微細(xì)加工工藝相類似，與最小磨屑厚度相關(guān)聯(lián)的尺寸效應(yīng)起著重要的作用。表1中著重對(duì)比了傳統(tǒng)磨削工藝與微細(xì)磨削工藝的加工環(huán)境。

從表1中可以明顯看出，微細(xì)磨削的切削速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)磨削中的切削速度。在傳統(tǒng)磨削中較低的速度比導(dǎo)致單個(gè)磨粒擁有更高的進(jìn)給量及更大的進(jìn)給角度，這影響著參與磨削的磨?？倲?shù)。這里將單個(gè)磨粒的進(jìn)給量定義為，磨粒在一次旋轉(zhuǎn)中所經(jīng)過(guò)的距離。沿著切削路徑上任意位置的影響程度是由進(jìn)給角度所決定的，而進(jìn)給角度的計(jì)算要考慮到砂輪圓周速度矢量與工件速度矢量。

如果在砂輪表面有

個(gè)均勻分布的磨粒，那么對(duì)每一個(gè)磨粒(假設(shè)為第

個(gè)磨粒)的進(jìn)給量(

)、位移接觸長(zhǎng)度(

)和進(jìn)給角(

)的數(shù)值都可以由公式(1)-(3)計(jì)算得出。

實(shí)值RBM模型相對(duì)于二值RBM模型就是將評(píng)分?jǐn)?shù)據(jù)表示為多維度的0、1向量，以滿分5分為例，則在表示評(píng)分的向量中第五行為1向量，其他行都為0向量，沒(méi)有評(píng)分即所有的行都為0表示，此方法雖然會(huì)在一定程度上導(dǎo)致數(shù)據(jù)量變大，但是可以很有效地解決多評(píng)分問(wèn)題。具體實(shí)值RBM模型如圖1所示。

(1)

(2)

(3)

式中，

為砂輪表面兩個(gè)相鄰磨粒間的距離，

為第

個(gè)磨粒的切削深度，

為砂輪半徑，

為第

個(gè)磨粒的徑向高度。徑向高度是指從砂輪中心到磨粒切割點(diǎn)之間的距離。如果將第

個(gè)磨粒與其他磨粒間的相互作用忽略不計(jì)，那么公式(1)中的

值等于2

。

已經(jīng)有學(xué)者對(duì)磨削過(guò)程中的力學(xué)特性及磨削過(guò)程中相應(yīng)預(yù)測(cè)的有限元模型、多比例模型進(jìn)行了一些分析工作。大部分關(guān)于微細(xì)磨削過(guò)程相應(yīng)的推測(cè)的分析工作都考慮到了Makin的均勻砂輪表面模型(公式(4))和表2中總結(jié)的靜態(tài)切割邊緣密度。

砂輪表面參與磨削的磨粒百分比與未變形磨屑的平均厚度是影響加工表面質(zhì)量的主要因素。未變形磨屑厚度(hmi)是指單獨(dú)一個(gè)磨粒切削的最大深度。它取決于多種因素，包括砂輪表面質(zhì)量與運(yùn)動(dòng)學(xué)條件。對(duì)于傳統(tǒng)磨削而言，已經(jīng)發(fā)表了關(guān)于未變形磨屑尺寸估算的若干描述。根據(jù)Malkin的理論，對(duì)于一個(gè)表面形狀均勻的砂輪而言，單個(gè)磨粒的最大切削深度(假設(shè)為第i個(gè)磨粒，圖1a)可以描述為：

圖2中展示了一個(gè)案例，案例中的砂輪表面僅有三個(gè)磨粒(

，

和

)。這三個(gè)磨粒彼此間距離相等，并且處于同一軸向平面內(nèi)。相鄰的兩個(gè)磨粒間的距離是恒定的(即：

=

=

=

)，并且徑向高度差的關(guān)系為：

=

-

，2

=

-

，

=

-

。給定一個(gè)旋轉(zhuǎn)方向，

是

的前一個(gè)磨粒，

是

的前一個(gè)磨粒，

是

的前一個(gè)磨粒。在所有的案例中，擁有最大徑向高度的磨粒(即第

個(gè)磨粒)是進(jìn)入切削區(qū)域的第一顆磨粒(或者是前導(dǎo)磨粒)。在這些條件下，根據(jù)公式(6)，對(duì)應(yīng)每一個(gè)磨屑的未變形磨屑厚度值可由以下公式表示(圖2

-

)。

對(duì)于一個(gè)表面形狀不均勻的砂輪而言(即，磨粒的分布與凸起都不均勻，圖1

-

)，根據(jù)下方公式(6)可得出第

個(gè)磨粒的最大未變形磨屑厚度的值。

(4)

公式(4)在不考慮二階項(xiàng)并忽略掉那些結(jié)果比單位值小得多的項(xiàng)(即數(shù)據(jù)遠(yuǎn)小于1的項(xiàng))可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化描述為：

(5)

數(shù)據(jù)來(lái)源：華楊大隊(duì)：《一九七三年收益分配統(tǒng)計(jì)表》，《一九七五年收益分配統(tǒng)計(jì)表》，《一九七九年收益分配統(tǒng)計(jì)表》，高縣檔案館藏。

(6)

式中

為砂輪表面即將參與磨削加工的磨粒(第

個(gè))與前一個(gè)磨粒(第

個(gè))之間的距離，

為前一個(gè)磨粒的切削深度，

為兩個(gè)磨粒之間的高度差(

-

)，當(dāng)即將到來(lái)的磨粒凸起高度小于前一個(gè)磨粒

為正值，反之則為負(fù)值。如果

為負(fù)值，即將參與磨削加工的磨粒將不會(huì)進(jìn)行切削，可忽略。

(7)

(8)

(9)

從公式(9)中可以很明顯的看出，盡管理論切削厚度值是正的，但是正如圖2c中所展現(xiàn)的最大徑向高度磨粒的運(yùn)動(dòng)軌跡，第k個(gè)磨粒的實(shí)際切屑厚度值是小于零的。此外，Malkin的模型(公式(6))僅僅只考慮了即將參與磨削加工的磨粒和前一個(gè)磨粒之間的徑向高度差。但是，前一個(gè)磨粒不一定是一個(gè)參與切削的磨粒。此外，從磨粒的運(yùn)動(dòng)軌跡可以觀察出，即將參與磨削加工的磨粒的未變形磨屑厚度值是由最大徑向高度磨粒所決定的。很明顯公式(6)是有缺陷的，其僅考慮了與前一個(gè)磨粒的徑向高度差，而忽略了這些磨粒與最大突出磨粒之間的位置關(guān)系。此外，公式(7)-(9)考慮到所有情況下的磨屑的形成(當(dāng)

>0時(shí))，而忽略了未變形磨屑厚度值與所需最小磨屑厚度值(

’)的比較。由于最小磨屑厚度值在微細(xì)磨削中起著重要作用，因此有必要去了解切屑厚度變化，并找到一種描述微細(xì)磨削中這些值的簡(jiǎn)單方法。這種方法應(yīng)該同時(shí)考慮砂輪表面磨粒的分布與他們的運(yùn)動(dòng)軌跡。

此外，一項(xiàng)深入的文獻(xiàn)研究提出若干個(gè)根據(jù)未變形切屑厚度過(guò)程響應(yīng)的分析預(yù)測(cè)公式。未變形切屑厚度與過(guò)程反饋(如，磨削力，比能和表面粗糙度)之間的基本關(guān)系如下所示：

學(xué)術(shù)研究支撐我國(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)制度發(fā)展四十年........................................................................鄧儀友 趙志彬 09.66

(

)

加強(qiáng)林業(yè)資源保護(hù)力度和完善森林防火管理措施是實(shí)現(xiàn)林業(yè)資源的可持續(xù)發(fā)展的根本性措施之一，通過(guò)加快我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級(jí)速度、提高林業(yè)資源保護(hù)管理機(jī)制的全面性、強(qiáng)化林業(yè)管理人員的防火意識(shí)等來(lái)提高林業(yè)資源保護(hù)效果。

(

)

根據(jù)Malkin的理論，在突出點(diǎn)數(shù)量相同的情況下，如果切割點(diǎn)比前一個(gè)磨粒突出的越多那么該磨粒的未變形切屑厚度尺寸就越大。然而，公式(6)僅僅考慮了靜態(tài)條件下的砂輪表面特征。并沒(méi)有考慮到連續(xù)切割點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性。公式(6)的適用性是不確定的，這一點(diǎn)同樣在圖2中進(jìn)行了說(shuō)明。

(

)

根據(jù)本組研究結(jié)果,我們認(rèn)為在采用注射器抽吸負(fù)壓狀態(tài)下同軸取材活檢更容易成功,并且不增加穿刺活檢相關(guān)并發(fā)癥,而有助于明確椎體壓縮骨折病因,減少椎體壓縮骨折病因的誤診和漏診,使患者獲得更長(zhǎng)期的良好療效。因此,經(jīng)皮椎體成形術(shù)中在負(fù)壓狀態(tài)下同軸取材活檢是一種安全易行、提高診斷準(zhǔn)確性的活檢方法,應(yīng)該在椎體壓縮骨折行椎體成形術(shù)時(shí)常規(guī)進(jìn)行。

其他已發(fā)表的研究文章都致力于研究通過(guò)電鍍、化學(xué)鍍層及CVD等方式研究微細(xì)磨削刀具的韌性向脆性的轉(zhuǎn)變，而對(duì)微細(xì)磨削中砂輪表面的磨粒的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析卻是很少報(bào)道的。總結(jié)過(guò)往的研究可以發(fā)現(xiàn)，磨粒的運(yùn)動(dòng)軌跡和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析對(duì)了解微細(xì)磨削過(guò)程、提升微細(xì)磨削工藝水平有著至關(guān)重要的決定性作用，后續(xù)將通過(guò)更多的實(shí)驗(yàn)、仿真與數(shù)學(xué)分析對(duì)微細(xì)磨削過(guò)程中的磨粒運(yùn)動(dòng)軌跡建立更加詳盡的數(shù)學(xué)模型以供分析。

結(jié)論：

1.微細(xì)磨削加工過(guò)程中所使用砂輪的外觀形貌是不均勻的，每一個(gè)磨粒的徑向高度不盡相同，所以在研究微細(xì)磨削表面成型機(jī)理的過(guò)程中要注意對(duì)不同徑向高度的磨粒進(jìn)行單獨(dú)分析，以確保計(jì)算及分析的正確性。

2.當(dāng)所研究的磨粒(第i個(gè)磨粒)的徑向高度低于前一個(gè)參與磨削加工的磨粒(第

個(gè)磨粒)的徑向高度時(shí)，則當(dāng)前磨粒未變形磨屑厚度小于前一個(gè)參與磨削加工的磨粒，即

<

。反之，當(dāng)所研究的磨粒(第

個(gè)磨粒)的徑向高度高于前一個(gè)參與磨削加工的磨粒(第

個(gè)磨粒)的徑向高度時(shí)，則當(dāng)前磨粒未變形磨屑厚度大于于前一個(gè)參與磨削加工的磨粒，即

>

。當(dāng)

為負(fù)值時(shí)，所研究的磨粒不參與磨削加工過(guò)程。

3.微細(xì)磨削是一個(gè)動(dòng)態(tài)加工過(guò)程，每一個(gè)磨粒作為一個(gè)單獨(dú)的個(gè)體都有其獨(dú)有的運(yùn)動(dòng)軌跡。所以，在研究微細(xì)磨削表面成型機(jī)理的過(guò)程中，應(yīng)在考慮靜態(tài)切削的基礎(chǔ)上考慮磨粒的運(yùn)動(dòng)軌跡，通過(guò)對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡的分析可以更好的了解各個(gè)磨粒之間切削狀態(tài)的差異，有利于更好地分析微細(xì)磨削過(guò)程。

培育壯大新動(dòng)能有利于推進(jìn)創(chuàng)新發(fā)展。創(chuàng)新發(fā)展是新發(fā)展理念之一。創(chuàng)新是引領(lǐng)發(fā)展的第一動(dòng)力，是建設(shè)現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)體系的戰(zhàn)略支撐。創(chuàng)新發(fā)展首先要解決的是創(chuàng)新動(dòng)力的培育，而培育壯大新動(dòng)能將為創(chuàng)新發(fā)展提供強(qiáng)大的動(dòng)力。特別是創(chuàng)新型企業(yè)是創(chuàng)新發(fā)展的基本主體，新技術(shù)是創(chuàng)新發(fā)展的核心內(nèi)容，新制度是創(chuàng)新發(fā)展的內(nèi)在動(dòng)力。

4.微細(xì)磨削的砂輪在靜態(tài)下的外觀形貌數(shù)據(jù)固然重要，但是在設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)后的加工狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)同樣重要。故此，在研究過(guò)程中，不能僅僅依賴于實(shí)驗(yàn)中所測(cè)定的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，同時(shí)要考慮各個(gè)磨粒在微細(xì)磨削加工過(guò)程中的動(dòng)態(tài)切削刃。

[1]G?bler, Jan; Sch?fer, Lothar; Menze, Bernd; Hoffmeister, Hans-Werner (2003). Micro abrasive pencils with CVD diamond coating. Diamond and Related Materials, 12(3-7), 707-710. doi:10.1016/S0925-9635(03)00059-1.

[2]J. Ikeno; Y. Tani; A. Fukutani; H. Sato (1991). Development of Chipping-Free Dicing Technology Applying Electrophoretic Deposition of Ultrafine Abrasives. , 40(1), 351-354. doi:10.1016/s0007-8506(07)62004-6.

[3]Hyung Wook Park; Steven Y. Liang (2008). Force modeling of micro-grinding incorporating crystallographic effects. , 48(15), 1658-1667. doi:10.1016/j.ijmachtools.2008.07.004.

[4]J. Cheng, Y.D. Gong, Experimental study of surface generation and force modeling in micro-grinding of single crystal silicon considering crystallographic effects, Int. J. Mach. Tool Manuf. 77 (2014) 1-15, https://doi.org/10.1016/j. ijmachtools.2013.10.003.

[5]J. Cheng, Y. Gong, J. Wang, Modeling and evaluating of surface roughness prediction in micro-grinding on soda-lime glass considering tool characterization, Chin. J. Mech. Eng. 26 (2013) 1091-1100, https://doi.org/10.3901/ CJME.2013.06.1091.

[6]J. Cheng, C. Wang, X. Wen, Y. Gong, Modeling and experimental study on micro- fracture behavior and restraining technology in micro-grinding of glass, Int. J. Mach. Tool Manuf. 85 (2014) 36-48, https://doi.org/10.1016/j. ijmachtools.2014.05.002.