工程陶瓷旋轉(zhuǎn)超聲磨削加工表面完整性評價技術(shù)研究.pdf

1、工程陶瓷具有優(yōu)良的物理性能和化學(xué)性能，廣泛應(yīng)用于航空航天、精密機械、慣性制導(dǎo)、核能裝備等領(lǐng)域。旋轉(zhuǎn)超聲磨削是工程陶瓷零部件精密加工的發(fā)展趨勢，但是其加工表面完整性的各項評定參數(shù)和評價準(zhǔn)則所采用的均為金屬材料加工表面完整性的指標(biāo)參數(shù)和評價準(zhǔn)則。工程陶瓷材料性能以及加工過程中材料去除機理與金屬材料不同，借用金屬材料加工表面完整性評價參數(shù)難以準(zhǔn)確和全面表征工程陶瓷加工表面完整性特征。工程陶瓷加工表面完整性評價技術(shù)是工程陶瓷零部件性能評估的前提

2、，開展工程陶瓷材料旋轉(zhuǎn)超聲磨削加工表面完整性評價技術(shù)研究對工程陶瓷零部件工程化應(yīng)用具有重要的研究意義和實用價值。
　　針對工程陶瓷加工表面完整性評價方向的研究較少，相應(yīng)表面完整性特征評價參數(shù)不合理，甚至缺失，本文以Al2O3、ZrO2增韌Al2O3、自增韌Si3N4、納米增韌Si3N4等典型硬脆均質(zhì)工程陶瓷材料為代表，開展工程陶瓷材料旋轉(zhuǎn)超聲磨削加工表面完整性評價技術(shù)研究。在工程陶瓷加工表面微觀形貌特征研究基礎(chǔ)上，提出三維表面粗糙

3、度、微觀裂紋和表面殘余應(yīng)力等特征評價參數(shù)，并初步實現(xiàn)工程陶瓷加工表面完整性綜合評價。
　　加工表面微觀形貌是加工表面完整性中幾何特性的重要組成部分。工程陶瓷旋轉(zhuǎn)超聲磨削加工機理與普通金屬材料加工機理完全不同，對其加工表面微觀形貌研究還未有文獻系統(tǒng)介紹，為了后續(xù)加工表面完整性特征評價和綜合評價研究，系統(tǒng)分析了工程陶瓷旋轉(zhuǎn)超聲磨削加工表面微觀形貌特征，基于分形維數(shù)研究了工程陶瓷加工表面微觀形貌起伏變化程度；分析了加工表面幅度分布特征和

4、表面功率譜密度分布特征；同時對加工表面進行了二維功率譜和角譜分析，以及等方性和均一性研究。
　　針對目前三維表面粗糙度中幅度參數(shù)算術(shù)平均偏差和均方根偏差評價不同加工表面其值相同，且不具有多尺度特征，提出了三維表面粗糙度評價參數(shù)——分形均方根偏差，建立了其計算數(shù)學(xué)模型，并對其有效性進行了檢驗。由于三維粗糙度所測量數(shù)據(jù)不僅包括表面粗糙度，還包括表面波紋度、加工表面形狀誤差等，這些參數(shù)的存在影響加工表面粗糙度值的準(zhǔn)確評定，針對該問題建立

5、了工程陶瓷旋轉(zhuǎn)超聲磨削加工三維表面粗糙度小波變換數(shù)學(xué)模型，本文以重構(gòu)誤差和不同分解層次下能量分布變化作為判斷最優(yōu)小波基和最優(yōu)分解層次的依據(jù)，進行了最優(yōu)小波基和分解層次選取，將三維粗糙度基準(zhǔn)面與粗糙度分解；最后分析了表面分形維數(shù)、均方根偏差和表面尺度參數(shù)與分形均方根偏差之間關(guān)系。通過工程陶瓷三維表面粗糙度評價研究，提出了一個新的評定參數(shù)，且該參數(shù)具有絕對測量和多尺度雙層特征，為加工表面完整性綜合評價指標(biāo)層提供了評價參數(shù)。
　　針對微

6、觀裂紋傳統(tǒng)評價參數(shù)比較單一，靈敏度比較差，且不能反映裂紋復(fù)雜程度，基于壓痕斷裂力學(xué)分析了工程陶瓷加工表面微觀裂紋類型；建立了工程陶瓷加工表面灰度圖像二維分?jǐn)?shù)布朗隨機場模型，并提出采用Hurst指數(shù)將工程陶瓷加工表面分為裂紋易產(chǎn)生區(qū)和非裂紋易產(chǎn)生區(qū)；通過圖像處理實現(xiàn)了加工表面微觀裂紋提??；建立了微觀裂紋信息維數(shù)計算模型，提出了分形密度參數(shù)，并將其作為微觀裂紋特征評價參數(shù)；對該評價參數(shù)的有效性進行了檢驗，并分析了切削力和斷裂韌性對微觀裂紋分

7、形密度的影響。通過工程陶瓷旋轉(zhuǎn)超聲磨削加工表面微觀裂紋研究，完善了工程陶瓷加工表面完整性綜合評價指標(biāo)層，且提供了相應(yīng)評價指標(biāo)。
　　分析了工程陶瓷旋轉(zhuǎn)超聲磨削加工表面殘余應(yīng)力產(chǎn)生機制，基于彈塑性力學(xué)和位錯塞積密度函數(shù)對工程陶瓷加工作用殘余應(yīng)力場分布進行了理論分析，并通過實驗數(shù)據(jù)對工程陶瓷加工表面殘余應(yīng)力分布統(tǒng)計分析，得出了工程陶瓷旋轉(zhuǎn)超聲磨削加工表面殘余應(yīng)力場具有不穩(wěn)定性，通過測量表面上有限數(shù)據(jù)點評價表面殘余應(yīng)力，其評價可靠性低。

8、針對此問題，提出了加工表面殘余應(yīng)力評價特征參數(shù)——應(yīng)力置信公差；分析了采樣方式和采樣數(shù)目對評價精度影響，并研究了材料屬性和切削力與表面殘余應(yīng)力置信公差間變化規(guī)律，進一步完善了工程陶瓷加工表面完整性評價體系，并為綜合評價提供了更為合理的評價參數(shù)。
　　在加工表面微觀形貌、三維表面粗糙度評價、微觀裂紋評價和表面殘余應(yīng)力評價研究基礎(chǔ)上，以陶瓷基軸轉(zhuǎn)子部件精加工工序為例，采用層次分析及灰色關(guān)聯(lián)度理論，建立加工表面完整性綜合評價數(shù)學(xué)模型；提