硬脆難加工材料高速磨削表面完整性及亞表面損傷研究.pdf

1、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(jī)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(diǎn)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(diǎn),可集粗、精加工于一

2、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(gè)非線性、高度動(dòng)態(tài)性的強(qiáng)熱力耦合過程,是一個(gè)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(jī)理研究和對傳統(tǒng)磨削機(jī)理的突破性挑戰(zhàn)。
　　為實(shí)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)

3、力分布及離散度的影響;建立了考慮主軸振動(dòng)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(dòng)磨削的脆塑性轉(zhuǎn)變行為機(jī)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(shí)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(kuò)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

4、轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)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(diǎn)的應(yīng)力和溫度歷程進(jìn)行分析,揭示了強(qiáng)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(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)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(shí)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(jī)械加工表面殘余應(yīng)力

5、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(jià)值。
　　(2)基于磨削運(yùn)動(dòng)學(xué)特性和壓痕斷裂力學(xué)原理,考慮微觀磨削時(shí)砂輪主軸的振動(dòng)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(yàn)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(dòng)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,

6、磨削速度的增加和主軸振動(dòng)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(jì)應(yīng)保證有足夠高的剛度,以避開高速磨削時(shí)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(dòng)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(xiàng)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(shí)為砂輪主軸的設(shè)計(jì)和制造提供指導(dǎo)。
　　(3)基于微觀

7、磨削力模型和比磨削能的概念,建立了橢圓超聲輔助振動(dòng)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(dòng)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(jī)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(shí),磨削力比的理論值在1.37～1.

8、56之間,這與第二章的仿真結(jié)果和已有的實(shí)驗(yàn)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(shí)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(diǎn)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(shí),材料可以實(shí)現(xiàn)微米級塑性去除;當(dāng)不存在軸向振動(dòng)時(shí),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

9、源等因素的磨削加工亞表面裂紋擴(kuò)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(qiáng)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(kuò)展的抑制效果越強(qiáng);相反,磨粒越大越鋒利,對Ⅰ型裂紋擴(kuò)展的反屏蔽效應(yīng)越強(qiáng)。此外,表面點(diǎn)熱源對中徑裂紋擴(kuò)展的抑制或促進(jìn)作用主要取決于熱載荷和機(jī)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(shí),熱源強(qiáng)度的增大將有助于抑制裂紋的擴(kuò)展影響