多频率超声辅助磨削纳米氧化锆陶瓷表面/亚表面损伤机理研究

摘要

随着硬脆材料在国防等尖端领域的需求日趋增多,对其零件加工质量的要求也越来越苛刻,但加工过程产生的表面/亚表面损伤成为遏制其广泛应用的瓶颈。因此,探求硬脆材料高质高效的精密加工方法是一项十分有意义的工作。
　　针对超声振动在硬脆材料加工方面独特的优越性以及ZrO2陶瓷特殊的相变性能,本文将超声振动与磨削过程相结合对纳米ZrO2陶瓷进行加工,着重研究多频率超声磨削过程中纳米ZrO2陶瓷材料的损伤机理及损伤特征,揭示超声振动塑性域磨削硬脆材料精密高效的本质。本文主要研究内容包括:
　　基于波动理论对声学系统进行设计计算,通过有限元方法对其优化,研制了不同频率的超声振动磨削装置,给出了结构参数对系统振动特性的影响规律,并通过试验获取声学系统的振动特性。
　　从分析振动频率、振幅、振动方式等参数对磨粒轨迹的影响出发,研究了超声磨削表面的创成过程,结果表明:1)超声振动磨削改变了磨粒运动的直线型轨迹,增强了磨粒之间的干涉,使磨粒在试件表面产生往复熨压、研磨作用;2)二维超声振动能量的叠加使得超声振动对磨削过程的干预能力增强;超声振幅越大,磨粒对材料的干涉宽度越宽;频率越高,磨粒轨迹越密,磨粒对材料干涉的程度增大;3)超声磨削时磨粒前磨刃面对材料产生周期性变化的挤压力,该挤压力的作用相当于压痕过程中压头在材料作用面上不断的加载卸载过程,从而引发细小横向裂纹产生并扩展至表面使材料以细碎和粉末方式去除。
　　建立了超声磨削过程中单颗磨粒的通用磨削力模型以及应力场模型,拓宽了以往研究中单一的声学系统装夹角度、以及两个方向上要求超声波频率相同等苛刻条件,使系统在工作台上不同装夹角度、不同振动频率时的单颗磨粒磨削力模型及应力场模型达到了统一。
　　在压痕断裂力学基础上,建立中位裂纹成核的临界磨削深度模型,并通过试验定性分析了超声振动对裂纹成核临界磨削深度的影响,研究表明高频振动冲击下材料的等效硬度降低,断裂韧性增加,超声振动可以拓宽裂纹成核的临界磨削深度,有助于实现材料的塑性域磨削。
　　研制了能够有效模拟金刚石砂轮磨削过程的超声辅助刻划试验装置,对多频率条件下一维和二维超声辅助刻划时的陶瓷材料损伤情况进行研究,得出材料损伤情况随超声维数和频率变化的规律:二维刻划优于一维超声刻划,一维超声刻划又优于普通刻划;材料损伤与频率之间基本呈上开口抛物线形变化趋势,即在超声频率不高于35kHz时,材料损伤程度随频率增大而降低,频率达到35kHz左右,损伤程度最小,之后随着频率增大损伤程度又逐渐增大。这一规律在磨削试验中得到了验证。
　　通过多频率超声磨削试验得出了表面残余应力随超声维数和频率变化的规律:二维超声磨削表面的残余压应力大于一维超声磨削,普通磨削时最小;残余应力与频率之间基本呈下开口抛物线形变化趋势,即在超声频率不高于35kHz时,残余压应力随频率增大而增大,在35kHz频率磨削时残余压应力达到最大值,之后随着频率增大,残余压应力又逐渐减小。
　　研究表明超声磨削对硬脆材料而言是一种有效的加工方法,尤其是35kHz二维超声振动磨削时,超声振动对材料的干预能力大大增强,扩大了材料塑性域去除的范围,材料表面亚表面损伤情况显著改善,磨削表面产生较大的残余压应力,在一定范围内可有效闭合磨削表面微裂纹,提高材料的强度。

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1 绪论

1.1课题来源

1.2课题的实用价值与理论意义

1.3纳米ZrO2陶瓷的特点及应用

1.4 硬脆材料磨削表面/亚表面损伤研究现状

1.5硬脆材料超声辅助磨削技术研究现状

1.6 本文主要研究内容及结构框架

2 多频率超声振动磨削声学系统优化设计及其性能检测

2.1 引言

2.2 变幅杆的优化设计

2.3系统固有频率的变化规律

2.4 二维超声振动系统的共振特性研究

2.5 声学系统振动性能测试

2.6 本章小结

3 超声振动辅助磨削表面/亚表面损伤机理研究

3.1 引言

3.2超声磨削过程中陶瓷材料去除机理试验研究

3.3 超声磨削表面创成机理

3.4二维超声磨削单颗磨粒磨削力及应力场数学模型建立

3.5 超声磨削过程中陶瓷材料的损伤模型

3.6 超声磨削径向裂纹成核的临界磨削深度分析

3.7 本章小节

4基于单颗金刚石超声辅助刻划试验的陶瓷材料损伤特征

4.1 引言

4.2 试验条件

4.3 划痕表面损伤特征

4.4 划痕亚表面损伤特征

4.5 超声划痕试验中划痕沟槽轮廓特征

4.6 本章小结

5 超声磨削纳米ZrO2陶瓷表面/亚表面损伤试验研究

5.1引言

5.2 超声磨削纳米ZrO2陶瓷磨削力特征研究

5.3 纳米ZrO2陶瓷超声磨削表面损伤试验研究

5.4 超声磨削表面三维轮廓微观形貌表征

5.5 纳米ZrO2陶瓷超声磨削亚表面损伤试验研究

5.6本章小结

6纳米ZrO2陶瓷超声磨削表面残余应力试验研究

6.1 引言

6.2纳米ZrO2陶瓷超声磨削表面相变特征

6.3 超声激励下纳米ZrO2陶瓷磨削表面残余应力试验研究

6.4本章小节

7 结论与展望

7.1 本文主要工作和得出的主要结论

7.2 本文的创新之处

7.3 展望

参考文献

作者简历

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