纳米陶瓷超声振动磨削表面/亚表面损伤机理研究

摘要

由于陶瓷材料具有机械强度高、耐磨、耐热、耐腐蚀、不导电、化学稳定性好等优良特性,使其在航天航空、化工等领域有着十分广阔的应用前景。磨削作为硬脆材料常用的加工手段被广泛应用于陶瓷材料的精加工之中。但传统的磨削方式加工效率低,加工成本高,且表面质量较差。超声振动磨削技术的引入大大提高了陶瓷材料的加工效率,降低了加工成本。由于陶瓷材料的高硬度和高脆性,其在加工过程中表面易留下加工损伤,如表面/亚表面裂纹、表面破碎、表面粉碎以及残余应力等,上述加工损伤的存在将严重影响陶瓷工件的疲劳寿命及使用安全。为此本文从陶瓷材料磨削的表面完整性、表面/亚表面裂纹的成核及其扩展过程和表面残余应力等方面对超声振动磨削陶瓷表面/亚表面损伤机理进行了深入研究。从微观角度揭示了超声振动对陶瓷材料表面/亚表面损伤的形成机理,为陶瓷材料的高效、精密无损加工提供理论依据。本文主要研究内容如下:
　　1.分析了陶瓷材料的去除机理,并对超声磨削陶瓷表面损伤进行了实验研究。研究表明超声振动磨削可以在较大切深范围内实现材料的塑性域磨削,从而可以在提高加工效率的同时有效降低工件的磨削损伤。而普通磨削则在较小磨削深度时就已经出现表面破碎等表面损伤。
　　2.根据压痕断裂力学相关理论分析了超声磨削应力场,并在此基础上对超声振动磨削时裂纹成核及扩展机理做了详细讨论。分析表明超声磨削过程中磨削应力场是一个高频交变应力场,该交变应力场将加速材料的疲劳断裂,同时该交变应力场将促使裂纹向自由表面扩展,从而阻止裂纹向工件内部扩展,降低亚表面裂纹损伤。
　　3.分析了超声振动磨削表面残余应力的形成机理。由于超声振磨削较普通磨削具有更大切深范围的延性域,所以超声磨削时材料更易于以塑性去除方式去除,而塑性去除将会使工件表面形成残余压应力。而普通磨削多以脆性方式去除,表面易形成破碎,材料的破碎去除将释放掉部分表面残余应力。故相同磨削条件下,超声磨削表面残余压应力要大于普通磨削。实验表明两种磨削方式下磨削表面皆为残余压应力。

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1 绪论

1.1 课题来源

1.2 课题研究的意义

1.3 陶瓷材料超声磨削技术研究现状

1.4陶瓷材料磨削表面损伤研究现状

1.5本文主要研究内容

2 超声振动辅助磨削试验系统设计及振动性能测试

2.1 概述

2.2试验用变幅杆的理论设计

2.3变幅杆振动性能的数值模拟分析

2.4变幅杆振动性能实验分析

2.5其他装置的设计

2.6本章小结

3 纳米陶瓷超声振动辅助磨削表面损伤研究

3.1概述

3.2超声振动辅助磨削材料去除机理

3.3纳米陶瓷超声振动辅助磨削表面损伤特性研究

3.4 纳米陶瓷超声振动辅助磨削表面形貌分析

3.5本章小结

4 纳米陶瓷超声振动辅助磨削表面/亚表面裂纹产生机理分析

4.1 概述

4.2 纳米陶瓷磨削裂纹产生机理分析

4.3纳米陶瓷超声振动辅助磨削表面/亚表面裂纹损伤试验研究

4.4试验结果及分析

4.5本章小结

5 纳米陶瓷超声振动辅助磨削表面残余应力特性研究

5.1概述

5.2 陶瓷磨削表面残余应力的产生原因

5.3 超声振动磨削表面残余应力测试

5.4 试验结果与分析

5.5 本章小结

6 总结与展望

6.1 本文的主要结论及创新

6.2研究展望

参考文献

作者简历

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