基于单磨粒动态冲击效应的光学玻璃磨削亚表面裂纹研究

摘要

光学玻璃等硬脆材料磨削过程中形成的亚表面裂纹，对光学元件尤其在空、天使役环境中的光学元件的性能及应用影响十分显著，因此硬脆光学材料磨削亚表面裂纹生成机理是光学制造领域的重要基础性科学问题之一。现有关于光学玻璃磨削机理及亚表面裂纹形成的研究多是基于压痕断裂力学和静态加载条件，没有考虑磨削过程中砂轮磨粒高速动态冲击效应的影响，与生成裂纹/亚表面裂纹的实际情况不符。所以磨粒冲击速度对光学玻璃磨削裂纹/亚表面裂纹深度的影响规律的研究成为当前面临的重要课题。处理磨粒冲击作用下的冲击动力学问题时，必须计及材料的惯性效应和应变率效应，因此本文基于应力波理论、动态断裂力学理论及应变率效应研究了磨粒冲击作用下的光学玻璃亚表面裂纹深度。本文根据光学玻璃单颗磨粒切削的特点，由点冲击载荷及弹性柱面应力波理论，建立了基于单磨粒动态冲击效应的冲击动力学应力波数学模型。根据动态断裂力学脆断理论和裂纹动态扩展规律，建立了基于动态应力强度因子的动态裂纹起始扩展、传播和止裂的数学模型。
　　本研究主要内容包括：⑴利用数值仿真技术分析了在砂轮磨粒动态冲击作用下，光学玻璃单颗磨粒切削亚表面裂纹生成机理。根据应力波和最大拉应力理论，研究了磨粒速度对光学玻璃材料内部应力波的影响规律、磨粒速度对应力波作用区域的影响规律以及磨粒不同作用时间下应力波强度的变化规律。研究发现应力波最大拉应力的大小与磨粒速度正相关，且磨粒速度增大，最大拉应力达到材料抗拉极限的时间缩短，最大拉应力达到材料抗拉极限的位置与磨粒接触区域的距离缩短；随磨粒速度的提高，应力波强度增大。⑵利用应力波和动态应力强度因子理论计算仿真了径向裂纹的扩展过程，得到了裂纹扩展的深度，仿真结果表明磨粒冲击速度增大，亚表面径向裂纹的扩展深度减小。根据应力张量理论，分析了柱面应力波的应力张量的主方向，确定了裂纹系统的方向即最大拉应力方向，裂纹系统的方向包括径向裂纹和环向裂纹。⑶研制了单颗磨粒切削的实验装置，采用截面抛光的方法进行了亚表面裂纹系统的检测。通过光学玻璃单颗磨粒切削实验，发现了亚表面微裂纹形式包括径向裂纹和环向裂纹，环向裂纹的存在是动态冲击所致裂纹的典型特征。根据微裂纹系统及断裂表面微观形貌分析，发现了在一定切深条件下磨粒动态冲击光学玻璃材料为脆性颗粒状崩碎断裂。⑷分析了光学玻璃单颗磨粒切削过程中运动接触弧的变化规律，提出了砂轮转速与工件进给速度协同实验方案，实现了磨粒速度不同而切深相同时，单颗磨粒切削的运动接触弧长完全一致，达到了以磨粒冲击速度作为单一因素的实验目的。利用砂轮转速与工件进给速度的协同实验，进行了不同磨粒速度下的光学玻璃单颗磨粒切削亚表面裂纹深度的检测，统计在不同速度、不同切深条件下的亚表面裂纹深度值。通过磨削参数协同实验发现，在单颗磨粒运动接触弧长度不变、切深相同的条件下随磨粒速度的提高，亚表面裂纹深度呈现出下降趋势。光学玻璃平面磨削实验表明，在其它条件不变的情况下，磨削速度增大，亚表面裂纹层深度减小，与单颗粒磨削实验结果一致。⑸对比分析了光学玻璃直线低速刻划与直线动态冲击实验，光学玻璃试件直线低速刻划划痕缺口轮廓不清晰，划痕缺口周围存在向内部开裂的长裂纹，而直线动态冲击缺口轮廓清晰可见，且存在环向裂纹，长裂纹及向内部扩展裂纹不明显。⑹利用霍普金森压杆（SHPB）实验研究了K9光学玻璃的应变率效应，分析了磨削条件下应变率的变化规律，建立了基于磨粒动态冲击应变率效应的亚表面裂纹深度公式，揭示了光学玻璃单颗粒切削亚表面裂纹深度的影响规律。⑺理论研究和实验结果表明随着磨粒速度的提高，磨粒作用区域材料的应力波强度增大，裂纹尖端的应力强度因子增大，同时磨粒作用区域材料的应变率增大，进而材料的动态弹性模量增大，最大拉应力达到材料抗拉强度极限的位置与磨粒接触区域的距离缩短，因此产生裂纹的区域缩小，磨削过程中的亚表面裂纹的深度减小。

目录

第1章 绪 论

1.1课题背景及研究的目的和意义

1.2单颗磨粒切削的研究现状

1.3硬脆材料动态冲击裂纹的研究现状

1.4硬脆材料磨削亚表面裂纹的研究现状

1.5本文的主要研究内容

第2章 磨粒冲击应力波建模分析及材料的响应研究

2.1引言

2.2磨粒冲击应力波数学模型的建立

2.3基于应力张量的裂纹开裂方向研究

2.4磨粒冲击亚表面裂纹方向的实验验证

2.5磨粒冲击应力波数值仿真模型的建立

2.6磨粒冲击应力波的数值算法

2.7工件材料的磨粒冲击应力波响应过程分析

2.8工件材料的磨粒冲击应力波最大拉应力研究

2.9本章小结

第3章 基于动态断裂力学的亚表面裂纹建模分析及实验研究

3.1引言

3.2基于动态应力强度因子的裂纹研究

3.3磨粒冲击下的应力强度因子模型的建立

3.4 K9玻璃材料断裂韧性的测定

3.5裂纹动态应力强度因子的仿真研究

3.6磨粒冲击亚表面裂纹深度的仿真研究

3.7基于动态冲击的单磨粒切削实验

3.8本章小结

第4章 应变率效应对亚表面裂纹深度的影响

4.1引言

4.2 K9光学玻璃应变率效应实验研究

4.3磨削过程中的试件材料应变率分析

4.4基于应变率效应的亚表面裂纹深度模型的建立

4.5本章小结

第5章 K9光学玻璃磨削亚表面裂纹的实验研究

5.1引言

5.2单磨粒切削切深对亚表面裂纹深度的影响

5.3单磨粒低速刻划与冲击的研究

5.4脆性断裂表面形貌分析

5.5磨削亚表面裂纹层深度的研究

5.6本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢

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