本文關(guān)鍵詞： 光學(xué)玻璃 磨削 亞表面裂紋 單顆磨粒 動(dòng)態(tài)沖擊效應(yīng)　出處：《哈爾濱工業(yè)大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：光學(xué)玻璃等硬脆材料磨削過程中形成的亞表面裂紋,對光學(xué)元件尤其在空、天使役環(huán)境中的光學(xué)元件的性能及應(yīng)用影響十分顯著,因此硬脆光學(xué)材料磨削亞表面裂紋生成機(jī)理是光學(xué)制造領(lǐng)域的重要基礎(chǔ)性科學(xué)問題之一�，F(xiàn)有關(guān)于光學(xué)玻璃磨削機(jī)理及亞表面裂紋形成的研究多是基于壓痕斷裂力學(xué)和靜態(tài)加載條件,沒有考慮磨削過程中砂輪磨粒高速動(dòng)態(tài)沖擊效應(yīng)的影響,與生成裂紋/亞表面裂紋的實(shí)際情況不符。所以磨粒沖擊速度對光學(xué)玻璃磨削裂紋/亞表面裂紋深度的影響規(guī)律的研究成為當(dāng)前面臨的重要課題。處理磨粒沖擊作用下的沖擊動(dòng)力學(xué)問題時(shí),必須計(jì)及材料的慣性效應(yīng)和應(yīng)變率效應(yīng),因此本文基于應(yīng)力波理論、動(dòng)態(tài)斷裂力學(xué)理論及應(yīng)變率效應(yīng)研究了磨粒沖擊作用下的光學(xué)玻璃亞表面裂紋深度。本文根據(jù)光學(xué)玻璃單顆磨粒切削的特點(diǎn),由點(diǎn)沖擊載荷及彈性柱面應(yīng)力波理論,建立了基于單磨粒動(dòng)態(tài)沖擊效應(yīng)的沖擊動(dòng)力學(xué)應(yīng)力波數(shù)學(xué)模型。根據(jù)動(dòng)態(tài)斷裂力學(xué)脆斷理論和裂紋動(dòng)態(tài)擴(kuò)展規(guī)律,建立了基于動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子的動(dòng)態(tài)裂紋起始擴(kuò)展、傳播和止裂的數(shù)學(xué)模型。利用數(shù)值仿真技術(shù)分析了在砂輪磨粒動(dòng)態(tài)沖擊作用下,光學(xué)玻璃單顆磨粒切削亞表面裂紋生成機(jī)理。根據(jù)應(yīng)力波和最大拉應(yīng)力理論,研究了磨粒速度對光學(xué)玻璃材料內(nèi)部應(yīng)力波的影響規(guī)律、磨粒速度對應(yīng)力波作用區(qū)域的影響規(guī)律以及磨粒不同作用時(shí)間下應(yīng)力波強(qiáng)度的變化規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)應(yīng)力波最大拉應(yīng)力的大小與磨粒速度正相關(guān),且磨粒速度增大,最大拉應(yīng)力達(dá)到材料抗拉極限的時(shí)間縮短,最大拉應(yīng)力達(dá)到材料抗拉極限的位置與磨粒接觸區(qū)域的距離縮短;隨磨粒速度的提高,應(yīng)力波強(qiáng)度增大。利用應(yīng)力波和動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子理論計(jì)算仿真了徑向裂紋的擴(kuò)展過程,得到了裂紋擴(kuò)展的深度,仿真結(jié)果表明磨粒沖擊速度增大,亞表面徑向裂紋的擴(kuò)展深度減小。根據(jù)應(yīng)力張量理論,分析了柱面應(yīng)力波的應(yīng)力張量的主方向,確定了裂紋系統(tǒng)的方向即最大拉應(yīng)力方向,裂紋系統(tǒng)的方向包括徑向裂紋和環(huán)向裂紋。為了研究光學(xué)玻璃單顆磨粒切削亞表面裂紋生成機(jī)理,研制了單顆磨粒切削的實(shí)驗(yàn)裝置,采用截面拋光的方法進(jìn)行了亞表面裂紋系統(tǒng)的檢測。通過光學(xué)玻璃單顆磨粒切削實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)了亞表面微裂紋形式包括徑向裂紋和環(huán)向裂紋,環(huán)向裂紋的存在是動(dòng)態(tài)沖擊所致裂紋的典型特征。根據(jù)微裂紋系統(tǒng)及斷裂表面微觀形貌分析,發(fā)現(xiàn)了在一定切深條件下磨粒動(dòng)態(tài)沖擊光學(xué)玻璃材料為脆性顆粒狀崩碎斷裂。為了研究磨削過程中磨粒沖擊速度對光學(xué)玻璃亞表面裂紋深度的影響規(guī)律,分析了光學(xué)玻璃單顆磨粒切削過程中運(yùn)動(dòng)接觸弧的變化規(guī)律,提出了砂輪轉(zhuǎn)速與工件進(jìn)給速度協(xié)同實(shí)驗(yàn)方案,實(shí)現(xiàn)了磨粒速度不同而切深相同時(shí),單顆磨粒切削的運(yùn)動(dòng)接觸弧長完全一致,達(dá)到了以磨粒沖擊速度作為單一因素的實(shí)驗(yàn)?zāi)康�。利用砂輪轉(zhuǎn)速與工件進(jìn)給速度的協(xié)同實(shí)驗(yàn),進(jìn)行了不同磨粒速度下的光學(xué)玻璃單顆磨粒切削亞表面裂紋深度的檢測,統(tǒng)計(jì)在不同速度、不同切深條件下的亞表面裂紋深度值。通過磨削參數(shù)協(xié)同實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在單顆磨粒運(yùn)動(dòng)接觸弧長度不變、切深相同的條件下隨磨粒速度的提高,亞表面裂紋深度呈現(xiàn)出下降趨勢。光學(xué)玻璃平面磨削實(shí)驗(yàn)表明,在其它條件不變的情況下,磨削速度增大,亞表面裂紋層深度減小,與單顆粒磨削實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。對比分析了光學(xué)玻璃直線低速刻劃與直線動(dòng)態(tài)沖擊實(shí)驗(yàn),光學(xué)玻璃試件直線低速刻劃劃痕缺口輪廓不清晰,劃痕缺口周圍存在向內(nèi)部開裂的長裂紋,而直線動(dòng)態(tài)沖擊缺口輪廓清晰可見,且存在環(huán)向裂紋,長裂紋及向內(nèi)部擴(kuò)展裂紋不明顯。利用霍普金森壓桿(SHPB)實(shí)驗(yàn)研究了K9光學(xué)玻璃的應(yīng)變率效應(yīng),分析了磨削條件下應(yīng)變率的變化規(guī)律,建立了基于磨粒動(dòng)態(tài)沖擊應(yīng)變率效應(yīng)的亞表面裂紋深度公式,揭示了光學(xué)玻璃單顆粒切削亞表面裂紋深度的影響規(guī)律。理論研究和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明隨著磨粒速度的提高,磨粒作用區(qū)域材料的應(yīng)力波強(qiáng)度增大,裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子增大,同時(shí)磨粒作用區(qū)域材料的應(yīng)變率增大,進(jìn)而材料的動(dòng)態(tài)彈性模量增大,最大拉應(yīng)力達(dá)到材料抗拉強(qiáng)度極限的位置與磨粒接觸區(qū)域的距離縮短,因此產(chǎn)生裂紋的區(qū)域縮小,磨削過程中的亞表面裂紋的深度減小。
[Abstract]:Sub surface crack formation of the grinding process of optical glass and other hard brittle materials, especially in the air of the optical components, properties and application effects of optical elements in the environment of the battle angel is very significant, so the formation mechanism of grinding hard brittle optical materials sub surface crack is one of the most important parts of basic science to the field of optical manufacturing. The existing research about optical glass grinding mechanism and sub surface crack formation is the indentation fracture mechanics and based on static loading conditions, without considering the impact effects of high-speed dynamic grain grinding wheel in the grinding process, and the formation of cracks / inconsistent with the actual situation of sub surface crack. So the particle impact velocity of law of crack / sub grinding of optical glass the surface crack depth has become an important issue currently facing. Treatment grinding dynamics of grain under impact, and the effect of inertia materials The effect of strain rate, so this paper based on the theory of stress wave, the dynamic fracture mechanics theory and the effect of strain rate on the grinding of optical glass sub surface crack depth of grain under impact. Based on the optical glass single grain cutting characteristics, from the point of impact load and elastic cylinder stress wave theory, stress wave mathematical model the impact dynamics of single particle dynamic impact effect based on established. According to the dynamic fracture mechanics theory of brittle fracture and crack propagation rule, establishes the dynamic dynamic stress intensity factors of crack initiation and crack propagation based on the extended mathematical model is analyzed. Using the numerical simulation technology of abrasive wheel in dynamic impact. Optical glass single grain cutting sub surface crack formation mechanism. According to the stress wave and the maximum tensile stress theory, studied the particle velocity effect of stress wave on the internal optical glass material, grinding The strength variation of the stress wave effect of the particle velocity of stress wave and abrasive action area at different time. The study found that stress wave maximum tensile stress and particle velocity are related, and the particle velocity increases, the maximum tensile stress reaches the tensile strength of the material was shortened, the maximum tensile the tensile stress reaches the limit of material position and abrasive contact area to shorten the distance; with the abrasive particle velocity increases, the stress wave intensity increases. The stress wave and the dynamic simulation of the propagation process of radial crack stress intensity factor theory, the crack propagation depth, the simulation results show that the abrasive impact increase the speed of expansion, the depth of subsurface radial cracks decreased. According to the stress tensor theory, analysis of the cylinder stress wave the principal directions of the stress tensor, the crack system is the direction of maximum tensile stress, crack system. To include the radial and circumferential cracks. In order to study the optical glass single grit cutting sub surface crack formation mechanism, developed a single grain cutting experiment device, using the method of cross section polishing tested sub surface crack system. Through the optical glass single grit cutting experiment, found the form of micro the sub surface cracks and crack including radial circumferential crack, circumferential cracks are typical characteristics of dynamic impact caused by crack. According to the analysis of micro crack system and fracture surface morphology, found in certain depth of cut under dynamic impact abrasive optical glass material is brittle fracture. In order to study the granular disintegration in the process of grinding mill the particle impact velocity of optical glass sub surface crack depth, analyzed the change law of motion of optical glass single grain cutting process in the contact arc, the rotating speed of the grinding wheel and work A feed speed collaborative experiment scheme, realizes the particle velocity and different depth of cut at the same time, single grain cutting contact arc length is completely consistent, achieved by abrasive impact velocity as the purpose of the experiment of single factor. Using wheel speed and feed speed of the collaborative experiment, the different particle velocity the optical glass single grain cutting sub surface crack depth detection and statistics at different speeds, sub surface crack depth under different cutting depth value. Through collaborative experiment of grinding parameters, contact arc length does not change in a single grain movement, cutting depth under the same conditions with the abrasive particle velocity increases sub surface crack depth, showing a downward trend. It shows that optical glass grinding experiment, under the same condition, the grinding speed increased, sub surface crack depth decreases, and the single grain grinding on the experimental results are consistent. Analysis of optical glass straight line speed and linear dynamic impact experimental characterization, optical glass specimen characterization of linear low scoring gap outline is not clear, long crack to internal cracking exists around the gap and scratches, linear dynamic impact profile is clear, and the existence of circumferential crack, long crack and to internal crack use is not obvious. Hopkinson pressure bar (SHPB) strain rate effect experiment of K9 optical glass, analyzed the variation of grinding conditions of the strain rate, the establishment of sub surface crack depth formula of abrasive dynamic strain rate effect based on the influences of single particle optical glass cutting sub surface crack depth. Theoretical research and experiment the results show that with the increasing speed of abrasive, abrasive materials should increase the intensity of regional stress wave, crack tip increase of stress intensity factor, and the abrasive action zone The strain rate of the material increases, and the dynamic elastic modulus of the material increases. The maximum tensile stress reaches the location of the tensile strength limit of the material and the distance from the contact area of the abrasive zone shortens, so the area of the crack decreases, and the depth of the sub surface crack decreases during grinding.

【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TQ171.734

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本文編號：1508907