多頻率超聲輔助磨削納米氧化鋯陶瓷表面-亞表面損傷機(jī)理研究.pdf

1、隨著硬脆材料在國防等尖端領(lǐng)域的需求日趨增多,對其零件加工質(zhì)量的要求也越來越苛刻,但加工過程產(chǎn)生的表面/亞表面損傷成為遏制其廣泛應(yīng)用的瓶頸。因此,探求硬脆材料高質(zhì)高效的精密加工方法是一項(xiàng)十分有意義的工作。
　　針對超聲振動在硬脆材料加工方面獨(dú)特的優(yōu)越性以及ZrO2陶瓷特殊的相變性能,本文將超聲振動與磨削過程相結(jié)合對納米ZrO2陶瓷進(jìn)行加工,著重研究多頻率超聲磨削過程中納米ZrO2陶瓷材料的損傷機(jī)理及損傷特征,揭示超聲振動塑性域磨削硬

2、脆材料精密高效的本質(zhì)。本文主要研究內(nèi)容包括:
　　基于波動理論對聲學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算,通過有限元方法對其優(yōu)化,研制了不同頻率的超聲振動磨削裝置,給出了結(jié)構(gòu)參數(shù)對系統(tǒng)振動特性的影響規(guī)律,并通過試驗(yàn)獲取聲學(xué)系統(tǒng)的振動特性。
　　從分析振動頻率、振幅、振動方式等參數(shù)對磨粒軌跡的影響出發(fā),研究了超聲磨削表面的創(chuàng)成過程,結(jié)果表明:1)超聲振動磨削改變了磨粒運(yùn)動的直線型軌跡,增強(qiáng)了磨粒之間的干涉,使磨粒在試件表面產(chǎn)生往復(fù)熨壓、研磨作用;

3、2)二維超聲振動能量的疊加使得超聲振動對磨削過程的干預(yù)能力增強(qiáng);超聲振幅越大,磨粒對材料的干涉寬度越寬;頻率越高,磨粒軌跡越密,磨粒對材料干涉的程度增大;3)超聲磨削時(shí)磨粒前磨刃面對材料產(chǎn)生周期性變化的擠壓力,該擠壓力的作用相當(dāng)于壓痕過程中壓頭在材料作用面上不斷的加載卸載過程,從而引發(fā)細(xì)小橫向裂紋產(chǎn)生并擴(kuò)展至表面使材料以細(xì)碎和粉末方式去除。
　　建立了超聲磨削過程中單顆磨粒的通用磨削力模型以及應(yīng)力場模型,拓寬了以往研究中單一的聲學(xué)

4、系統(tǒng)裝夾角度、以及兩個(gè)方向上要求超聲波頻率相同等苛刻條件,使系統(tǒng)在工作臺上不同裝夾角度、不同振動頻率時(shí)的單顆磨粒磨削力模型及應(yīng)力場模型達(dá)到了統(tǒng)一。
　　在壓痕斷裂力學(xué)基礎(chǔ)上,建立中位裂紋成核的臨界磨削深度模型,并通過試驗(yàn)定性分析了超聲振動對裂紋成核臨界磨削深度的影響,研究表明高頻振動沖擊下材料的等效硬度降低,斷裂韌性增加,超聲振動可以拓寬裂紋成核的臨界磨削深度,有助于實(shí)現(xiàn)材料的塑性域磨削。
　　研制了能夠有效模擬金剛石砂輪磨

5、削過程的超聲輔助刻劃試驗(yàn)裝置,對多頻率條件下一維和二維超聲輔助刻劃時(shí)的陶瓷材料損傷情況進(jìn)行研究,得出材料損傷情況隨超聲維數(shù)和頻率變化的規(guī)律:二維刻劃優(yōu)于一維超聲刻劃,一維超聲刻劃又優(yōu)于普通刻劃;材料損傷與頻率之間基本呈上開口拋物線形變化趨勢,即在超聲頻率不高于35kHz時(shí),材料損傷程度隨頻率增大而降低,頻率達(dá)到35kHz左右,損傷程度最小,之后隨著頻率增大損傷程度又逐漸增大。這一規(guī)律在磨削試驗(yàn)中得到了驗(yàn)證。
　　通過多頻率超聲磨削

6、試驗(yàn)得出了表面殘余應(yīng)力隨超聲維數(shù)和頻率變化的規(guī)律:二維超聲磨削表面的殘余壓應(yīng)力大于一維超聲磨削,普通磨削時(shí)最小;殘余應(yīng)力與頻率之間基本呈下開口拋物線形變化趨勢,即在超聲頻率不高于35kHz時(shí),殘余壓應(yīng)力隨頻率增大而增大,在35kHz頻率磨削時(shí)殘余壓應(yīng)力達(dá)到最大值,之后隨著頻率增大,殘余壓應(yīng)力又逐漸減小。
　　研究表明超聲磨削對硬脆材料而言是一種有效的加工方法,尤其是35kHz二維超聲振動磨削時(shí),超聲振動對材料的干預(yù)能力大大增強(qiáng),擴(kuò)