本文選題：硬脆難加工材料 + 高速磨削　； 參考：《湖南大學(xué)》2015年博士論文

【摘要】：硬脆材料如空間光學(xué)鏡片、藍(lán)寶石玻璃、晶體硅等,被廣泛應(yīng)用于航空航天、武器裝備制造、微電子機械系統(tǒng)等國防及民用領(lǐng)域。然而,硬脆材料的高硬度、低韌性等缺點成為它的軟肋,在傳統(tǒng)的切削、磨削等加工制造中很容易產(chǎn)生裂紋、殘余應(yīng)力等缺陷,其中最為關(guān)鍵的問題是加工后亞表面損傷過大,必須通過后續(xù)的研磨拋光來去除,延長了制造周期,降低了加工效率。高速超高速磨削是磨削技術(shù)的飛躍,具有磨削力小、磨削區(qū)溫度低、材料去除率高等特點,可集粗、精加工于一體,從而獲得良好的表面完整性和亞表面質(zhì)量,已作為高效的加工工藝廣泛應(yīng)用在硬脆材料的加工中。另一方面,高速磨削本質(zhì)上是一個非線性、高度動態(tài)性的強熱力耦合過程,是一個物理、力學(xué)、摩擦學(xué)等多學(xué)科交叉的復(fù)雜工程問題,影響因素眾多,因此也帶來了諸多新機理研究和對傳統(tǒng)磨削機理的突破性挑戰(zhàn)。為實現(xiàn)硬脆難加工材料的高效低損傷乃至無損傷磨削加工,本論文對高速磨削過程中磨粒與工件之間的作用規(guī)律展開了較為系統(tǒng)的研究:分析了不同磨削參數(shù)對工件殘余應(yīng)力分布及離散度的影響;建立了考慮主軸振動的高速精密磨削亞表面損傷預(yù)測模型,探討了工件表面粗糙度和亞表面損傷的內(nèi)在關(guān)聯(lián);基于微觀磨削力模型和比磨削能的概念,揭示了橢圓超聲輔助振動磨削的脆塑性轉(zhuǎn)變行為機理,明確了延性域磨削的控制條件;此外,為通過裂紋的可控或自愈性能實現(xiàn)裂紋件的重復(fù)利用,提出了熱輔助磨削模型,分析了磨削參數(shù)和表面熱源對亞表面裂紋擴展的影響。本論文的主要研究成果和創(chuàng)新性工作如下:(1)建立了考慮熱力耦合效應(yīng)和磨粒旋轉(zhuǎn)運動的單顆磨粒高速磨削殘余應(yīng)力分析的三維有限元仿真模型。通過對磨削接觸區(qū)和非接觸區(qū)相應(yīng)點的應(yīng)力和溫度歷程進(jìn)行分析,揭示了強熱力耦合效應(yīng)下工件加工后所呈現(xiàn)的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)和溫度分布情形;運用數(shù)理統(tǒng)計的方法,詳細(xì)分析了磨削速度和磨削深度等對加工工件殘余應(yīng)力離散度的影響,發(fā)現(xiàn)較小的磨削深度和較大的磨削速度均有利于工件實現(xiàn)更穩(wěn)定的殘余應(yīng)力分布。通過了解和掌握工件加工表面的殘余應(yīng)力分布特性,能夠提高疲勞壽命預(yù)測精度,并通過控制機械加工表面殘余應(yīng)力去提高工件的疲勞壽命、可靠性等,具有重要的工程應(yīng)用價值。(2)基于磨削運動學(xué)特性和壓痕斷裂力學(xué)原理,考慮微觀磨削時砂輪主軸的振動效應(yīng),建立了新的表面粗糙度及亞表面損傷預(yù)測模型。通過理論和試驗的對比分析,揭示了不同磨削參數(shù)對表面粗糙度及亞表面裂紋深度的影響規(guī)律;討論了表面粗糙度及亞表面損傷隨砂輪主軸振動幅值及頻率等參數(shù)的變化情況。結(jié)果表明,表面粗糙度和亞表面損傷隨工件速度和主軸振幅的增加而增大,使得表面和亞表面質(zhì)量變差。相反,磨削速度的增加和主軸振動頻率的降低能夠改善表面和亞表面的質(zhì)量。因此,砂輪主軸的設(shè)計應(yīng)保證有足夠高的剛度,以避開高速磨削時較高的旋轉(zhuǎn)頻率,避免共振現(xiàn)象的產(chǎn)生,從而也有利于減小主軸的振動幅值。對數(shù)據(jù)進(jìn)一步擬合分析發(fā)現(xiàn),亞表面損傷深度與表面粗糙度滿足非線性的二次多項式關(guān)系。研究結(jié)果可以提高表面粗糙度及亞表面損傷深度的理論預(yù)測精度,為提高表面及亞表面質(zhì)量而進(jìn)行的參數(shù)優(yōu)化提供理論支持,同時為砂輪主軸的設(shè)計和制造提供指導(dǎo)。(3)基于微觀磨削力模型和比磨削能的概念,建立了橢圓超聲輔助振動磨削加工的臨界未變形成屑厚度預(yù)測模型,詳細(xì)分析了磨削速度和超聲振動參數(shù)對磨削力和比磨削能的影響,揭示了材料去除的脆塑性轉(zhuǎn)變行為機理,明確了延性域磨削的控制條件。結(jié)果表明,軸向振幅通過影響磨削速度和接觸面積使磨削力輕微減小,垂向振幅通過影響侵徹深度使磨削力大幅減小,而高速磨削通過減小未變形成屑厚度使得磨削力變小,這些對提高表面質(zhì)量和磨削效率都是有利的。同時,磨削力比的理論值在1.37~1.56之間,這與第二章的仿真結(jié)果和已有的實驗數(shù)據(jù)都能很好吻合。此外,脆性材料微觀磨削的不同去除模式本質(zhì)上取決于成屑厚度:隨著超聲頻率和軸向振幅的增加,臨界未變形成屑厚度變大,材料更容易實現(xiàn)塑性去除;相反,隨著垂向振幅的增加,表征脆塑轉(zhuǎn)變過渡點的臨界未變形成屑厚度先增大后減小。值得一提的是,當(dāng)軸向振幅超過3μm時,材料可以實現(xiàn)微米級塑性去除;當(dāng)不存在軸向振動時,材料的去除模式可能是完全的脆性去除。(4)建立了考慮塑性變形和表面熱源等因素的磨削加工亞表面裂紋擴展的理論模型,分析了磨削參數(shù)、磨粒幾何和熱源參數(shù)等對裂紋尖端附近應(yīng)力強度因子的影響。結(jié)果表明,亞表面中徑裂紋的主要斷裂模式為張開型:磨削速度越大,工件速度和磨削深度越小,對I型裂紋擴展的抑制效果越強;相反,磨粒越大越鋒利,對I型裂紋擴展的反屏蔽效應(yīng)越強。此外,表面點熱源對中徑裂紋擴展的抑制或促進(jìn)作用主要取決于熱載荷和機械載荷的相對位置:當(dāng)熱源位于加工方向的前進(jìn)方向時,熱源強度的增大將有助于抑制裂紋的擴展影響越大;當(dāng)熱源位于加工方向后方時,需要通過合理匹配熱源強度和壓頭力大小來實現(xiàn)對裂紋擴展的控制。對亞表面裂紋擴展的相關(guān)研究成果能夠為裂紋的可控性或自愈性等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展提供指導(dǎo)方向,以實現(xiàn)裂紋件的重復(fù)利用。
[Abstract]:In this paper , the effects of grinding parameters and surface heat sources on residual stress distribution and temperature distribution of workpiece are analyzed . In this paper , the influence of grinding speed and surface roughness on surface roughness and surface crack depth can be improved by controlling residual stress of machining surface . The results show that the surface roughness and the surface roughness can be improved by controlling residual stress of machining surface . ( 4 ) The influence of grinding parameters , abrasive grain geometry and heat source parameters on the stress intensity factors near the crack tip is analyzed . The results show that the larger the grinding speed , the smaller the workpiece speed and the grinding depth , the stronger the anti - shielding effect on the crack propagation .
【學(xué)位授予單位】：湖南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TG580.614

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本文編號：1998688