隨著空間光學技術的發(fā)展,對大口徑空間反射鏡的需求日益增大,但口徑增大會導致鏡體重量大幅度增加,因此需要對鏡體進行輕量化設計與制造。反應燒結碳化硅(Reaction Bonded Silicon Carbide,RB-SiC)具有比剛度大、減重效果好等優(yōu)良特性,是目前制備大口徑空間反射鏡的首選材料。但RB-SiC是典型的硬脆陶瓷材料,機械加工過程中易產生亞表面損傷。旋轉超聲磨削技術是一種將傳統(tǒng)固結磨料磨削加工與超聲加工相結合的復合加工技術,在硬脆材料加工領域被公認為是一種經濟有效的加工技術。本文利用課題組自行裝配的超聲振動數(shù)控機床進行RB-SiC旋轉超聲磨削試驗與普通磨削試驗,以亞表面損傷為對象,對亞表面損傷檢測方法、超聲振動效應、各加工參數(shù)影響規(guī)律進行了研究,并歸納分析了RB-SiC旋轉超聲磨削亞表面損傷特征。本文的主要研究內容與結論如下:(1)采用硅片作陪襯的截面拋光法、聚酯作陪襯的截面拋光法和界面粘接法檢測相同加工條件下RB-SiC旋轉超聲磨削亞表面損傷,并選用四個亞表面損傷評價指標對各方法的檢測結果進行統(tǒng)計分析,以確定最優(yōu)檢測方法。試驗結果表明,采用硅片作陪襯的截面拋光法檢測到的四個亞表面損傷評價指標值均最小,則截面拋光法(硅片作陪襯)在檢測過程中引入的二次損傷最小,其檢測結果最接近真實的亞表面損傷情況。(2)通過旋轉超聲單因素試驗及相應普通磨削試驗,研究了超聲振動有無與強弱對亞表面損傷的影響。試驗結果表明,一定加工條件下,超聲振動的引入可有效降低亞表面損傷;亞表面損傷隨超聲振動的增強先減小后增大。同時,基于壓痕斷裂力學模型,綜合考慮磨粒的運動學和動力學特性,對試驗結果進行了理論分析,進一步探究了超聲振動效應。(3)通過七因素三水平的RB-SiC旋轉超聲磨削正交試驗,系統(tǒng)研究了各加工參數(shù)對亞表面損傷深度的影響規(guī)律。試驗結果表明:進給速度、磨粒粒度、磨削深度、超聲功率、主軸轉速、超聲頻率和磨粒濃度對亞表面損傷深度的影響程度依次降低;亞表面損傷深度與磨削深度、進給速度、超聲功率和磨粒粒度呈正相關,與主軸轉速呈負相關;亞表面損傷深度隨超聲頻率增大先減小后增大;磨粒濃度對RB-SiC旋轉超聲磨削亞表面損傷影響較小。(4)通過對RB-SiC旋轉超聲磨削亞表面損傷特征進行歸納與分析,獲得如下結論:(1)材料以脆性斷裂去除為主;(2)裂紋傾向于沿著顆粒邊界擴展,同時顆粒邊界具有屏蔽裂紋延伸的作用;(3)在大粒度SiC顆粒上,材料的去除是較大的橫向裂紋向自由表面延伸或裂紋之間的交叉所致,在小粒度SiC顆粒與單質游離硅組成的混合區(qū)上,材料的去除是由許多微小橫向裂紋的交叉或延伸到自由表面所造成;(4)對材料有重要影響的亞表面損傷,如大型凹坑和較深的中位裂紋,主要存在于大粒度SiC顆粒上。綜上,為減小RB-SiC材料磨削加工帶來的損傷,不僅要選擇合理的加工方法和加工參數(shù),還應在材料制備時盡量細化SiC顆粒。
【學位單位】：西南交通大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TH74
【部分圖文】：

面形和平面度精度無法滿足要求[18]。此外，在大口徑反射鏡的鍍體中由加工引發(fā)的殘余應力釋放，導致鏡體變形，影響成像系強度[19]。因此，亞表面損傷會極大影響光學元件的使用壽命與各削加工后需繼續(xù)進行研磨拋光以去除亞表面損傷，這勢必會延成本。聲磨削[20-22]是一種將超聲加工和傳統(tǒng)磨削加工結合在一起的加，加工工具隨機床主軸做高速轉動，同時沿主軸軸向做高頻振頭上的磨粒以一種新的高頻運動方式對材料進行去除。針對碳旋轉超聲磨削取得了良好的加工效果，相比普通磨削方式，旋減小磨削力和工具磨損[23-25]。為有效降低 RB-SiC 磨削過程中產將進行 RB-SiC 旋轉超聲磨削亞表面損傷研究，這對鏡體輕量化縮短及加工成本的降低有著重要意義。

驗設備究的磨削試驗在自主裝配的超聲振動數(shù)控加工中心上進行，將超聲式數(shù)控加工中心上，使超聲振動系統(tǒng)依托數(shù)控加工中心對加工工件。振動系統(tǒng)如圖 2-1 所示，系統(tǒng)由超聲電源、換能器、變幅桿和加工工超聲電源、換能器及變幅桿由天津思達機械設備制造有限公司生產工作原理為：超聲電源將交流電轉換為超聲高頻振蕩電壓，通過換電壓轉變?yōu)槌暀C械振動，而后經變幅桿放大使小振幅的機械振動轉超聲加工的大振幅機械振動，加工工具隨變幅桿做高頻振動，最工件的旋轉超聲加工。

圖 2-2 超聲電源超聲電源產生的超聲高頻振蕩電壓轉化為超聲機械振部件，其特性參數(shù)對整個超聲系統(tǒng)的性能起到決定性器轉化后所能產生的機械振動幅度較小，無法應用于大振動振幅及提高機械品質因數(shù)。換能器與變幅桿集成壓通過刀柄上的磁性材料無線傳輸至超聲換能器。采用固定在刀柄上。具有高硬度、高脆性的特點，一般采用金剛石砂輪對其驗中使用的加工工具是鄭州三磨所生產的金屬基金剛徑為 6mm，圖 2-3 為金剛石砂輪實物圖。

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本文編號：2830600