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硬脆难加工材料高速磨削表面完整性及亚表面损伤研究

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导师姓名
方棋洪
学科专业
固体力学
文献出处
湖南大学   2015年
关键词
硬脆难加工材料论文  高速磨削论文  表面完整性论文  亚表面损伤论文  脆塑转变论文  亚表面裂纹扩展论文
论文摘要

硬脆材料如空间光学镜片、蓝宝石玻璃、晶体硅等,被广泛应用于航空航天、武器装备制造、微电子机械系统等国防及民用领域。然而,硬脆材料的高硬度、低韧性等缺点成为它的软肋,在传统的切削、磨削等加工制造中很容易产生裂纹、残余应力等缺陷,其中最为关键的问题是加工后亚表面损伤过大,必须通过后续的研磨抛光来去除,延长了制造周期,降低了加工效率。高速超高速磨削是磨削技术的飞跃,具有磨削力小、磨削区温度低、材料去除率高等特点,可集粗、精加工于一体,从而获得良好的表面完整性和亚表面质量,已作为高效的加工工艺广泛应用在硬脆材料的加工中。另一方面,高速磨削本质上是一个非线性、高度动态性的强热力耦合过程,是一个物理、力学、摩擦学等多学科交叉的复杂工程问题,影响因素众多,因此也带来了诸多新机理研究和对传统磨削机理的突破性挑战。为实现硬脆难加工材料的高效低损伤乃至无损伤磨削加工,本论文对高速磨削过程中磨粒与工件之间的作用规律展开了较为系统的研究:分析了不同磨削参数对工件残余应力分布及离散度的影响;建立了考虑主轴振动的高速精密磨削亚表面损伤预测模型,探讨了工件表面粗糙度和亚表面损伤的内在关联;基于微观磨削力模型和比磨削能的概念,揭示了椭圆超声辅助振动磨削的脆塑性转变行为机理,明确了延性域磨削的控制条件;此外,为通过裂纹的可控或自愈性能实现裂纹件的重复利用,提出了热辅助磨削模型,分析了磨削参数和表面热源对亚表面裂纹扩展的影响。本论文的主要研究成果和创新性工作如下:(1)建立了考虑热力耦合效应和磨粒旋转运动的单颗磨粒高速磨削残余应力分析的三维有限元仿真模型。通过对磨削接触区和非接触区相应点的应力和温度历程进行分析,揭示了强热力耦合效应下工件加工后所呈现的复杂应力状态和温度分布情形;运用数理统计的方法,详细分析了磨削速度和磨削深度等对加工工件残余应力离散度的影响,发现较小的磨削深度和较大的磨削速度均有利于工件实现更稳定的残余应力分布。通过了解和掌握工件加工表面的残余应力分布特性,能够提高疲劳寿命预测精度,并通过控制机械加工表面残余应力去提高工件的疲劳寿命、可靠性等,具有重要的工程应用价值。(2)基于磨削运动学特性和压痕断裂力学原理,考虑微观磨削时砂轮主轴的振动效应,建立了新的表面粗糙度及亚表面损伤预测模型。通过理论和试验的对比分析,揭示了不同磨削参数对表面粗糙度及亚表面裂纹深度的影响规律;讨论了表面粗糙度及亚表面损伤随砂轮主轴振动幅值及频率等参数的变化情况。结果表明,表面粗糙度和亚表面损伤随工件速度和主轴振幅的增加而增大,使得表面和亚表面质量变差。相反,磨削速度的增加和主轴振动频率的降低能够改善表面和亚表面的质量。因此,砂轮主轴的设计应保证有足够高的刚度,以避开高速磨削时较高的旋转频率,避免共振现象的产生,从而也有利于减小主轴的振动幅值。对数据进一步拟合分析发现,亚表面损伤深度与表面粗糙度满足非线性的二次多项式关系。研究结果可以提高表面粗糙度及亚表面损伤深度的理论预测精度,为提高表面及亚表面质量而进行的参数优化提供理论支持,同时为砂轮主轴的设计和制造提供指导。(3)基于微观磨削力模型和比磨削能的概念,建立了椭圆超声辅助振动磨削加工的临界未变形成屑厚度预测模型,详细分析了磨削速度和超声振动参数对磨削力和比磨削能的影响,揭示了材料去除的脆塑性转变行为机理,明确了延性域磨削的控制条件。结果表明,轴向振幅通过影响磨削速度和接触面积使磨削力轻微减小,垂向振幅通过影响侵彻深度使磨削力大幅减小,而高速磨削通过减小未变形成屑厚度使得磨削力变小,这些对提高表面质量和磨削效率都是有利的。同时,磨削力比的理论值在1.37~1.56之间,这与第二章的仿真结果和已有的实验数据都能很好吻合。此外,脆性材料微观磨削的不同去除模式本质上取决于成屑厚度:随着超声频率和轴向振幅的增加,临界未变形成屑厚度变大,材料更容易实现塑性去除;相反,随着垂向振幅的增加,表征脆塑转变过渡点的临界未变形成屑厚度先增大后减小。值得一提的是,当轴向振幅超过3μm时,材料可以实现微米级塑性去除;当不存在轴向振动时,材料的去除模式可能是完全的脆性去除。(4)建立了考虑塑性变形和表面热源等因素的磨削加工亚表面裂纹扩展的理论模型,分析了磨削参数、磨粒几何和热源参数等对裂纹尖端附近应力强度因子的影响。结果表明,亚表面中径裂纹的主要断裂模式为张开型:磨削速度越大,工件速度和磨削深度越小,对I型裂纹扩展的抑制效果越强;相反,磨粒越大越锋利,对I型裂纹扩展的反屏蔽效应越强。此外,表面点热源对中径裂纹扩展的抑制或促进作用主要取决于热载荷和机械载荷的相对位置:当热源位于加工方向的前进方向时,热源强度的增大将有助于抑制裂纹的扩展影响越大;当热源位于加工方向后方时,需要通过合理匹配热源强度和压头力大小来实现对裂纹扩展的控制。对亚表面裂纹扩展的相关研究成果能够为裂纹的可控性或自愈性等相关技术的发展提供指导方向,以实现裂纹件的重复利用。

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摘要

Abstract

符号注释表

第1章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究现状综述

1.2.1 磨削加工残余应力研究现状

1.2.2 硬脆材料磨削加工表面粗糙度及亚表面损伤研究现状

1.2.3 硬脆材料加工中的脆塑性转变研究现状

1.2.4 亚表面裂纹扩展问题的研究现状

1.2.4.1 不同载荷模式和材料缺陷的裂纹扩展问题

1.2.4.2 工程设计及应用中的热应力问题

1.3 本文的主要研究内容

第2章 基于单颗粒高速磨削三维有限元仿真的残余应力离散度分析

2.1 引言

2.2 单颗磨粒高速磨削残余应力三维有限元仿真

2.2.1 三维有限元模型建立

2.2.2 断裂损伤判据

2.3 仿真结果讨论

2.3.1 加载工况基本分析

2.3.2 卸载和冷却工况下的残余应力和残余温度场分析

2.3.3 磨削速度和磨削深度对残余应力的影响

2.3.4 残余应力离散度分析

2.4 本章小结

第3章 基于磨削运动学特性的表面粗糙度及亚表面损伤预测新模型

3.1 引言

3.2 问题描述和基本方程

3.2.1 磨粒运动轨迹方程

3.2.2 表面侧向裂纹和亚表面中径裂纹计算

3.2.3 表面粗糙度与亚表面损伤的关系式

3.3 结果及讨论

3.3.1 磨削参数对表面粗糙度和亚表面损伤的影响

3.3.2 表面粗糙度和亚表面损伤实验研究

3.3.3 主轴振动参数对表面粗糙度和亚表面损伤的影响

3.4 本章小结

第4章 基于比磨削能的椭圆超声辅助振动磨削脆塑转变行为研究

4.1 引言

4.2 椭圆超声辅助振动磨削的运动学特性和磨削力模型

4.2.1 运动学特性

4.2.2 磨削力模型

4.3 超声辅助振动磨削的磨削能计算

4.4 结果和讨论

4.4.1 工艺参数对磨削力的影响

4.4.2 加工工艺参数对比磨削能的影响

4.5 本章小结

第5章 基于连续位错模型法的亚表面裂纹扩展研究

5.1 引言

5.2 表面接触载荷作用下亚表面裂纹与位错的弹性干涉

5.2.1 问题描述和基本方程

5.2.2 数值求解

5.2.3 结果和讨论

5.2.3.1 裂纹面上滑移发生的临界位置

5.2.3.2 应力强度因子分析

5.2.4 本节小结

5.3 磨削参数和磨粒几何对亚表面裂纹扩展的影响

5.3.1 模型建立

5.3.2 数值求解

5.3.3 结果和讨论

5.3.4 本节小结

5.4 表面点热源对亚表面裂纹扩展的影响

5.4.1 问题描述

5.4.2 切比雪夫多项式数值解

5.4.3 数值算例和讨论

5.4.4 本节小结

总结与展望

总结

展望

参考文献

致谢

附录A 攻读博士学位期间发表的学术论文

附录B 攻读博士学位期间参加的主要科研项目

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