BK7玻璃旋转超声加工表面/亚表面损伤特征分析与评价

摘要

旋转超声加工(RUM)是一种集传统超声加工与磨削加工为一体的复合加工方法，利用金刚石刀具对BK7玻璃进行加工可以达到所需的几何形状和精度，是BK7玻璃元件高效加工的一种切实可行方法。然而在刀具主轴高频振动作用下，磨粒对工件表面产生较大的冲击载荷势必会导致表面及亚表面损伤增大，从而降低了工件的机械承载能力。因此，需要深入研究BK7玻璃旋转超声加工材料去除机理、表面/亚表面损伤特征、亚表面裂纹深度检测及预测方法，以实现BK7玻璃元件的高效低损伤加工。
　　本文通过BK7玻璃刻划实验对旋转超声加工材料去除机理及表面损伤特征进行了分析，发现工件表面存在由材料塑性流动及脆性断裂产生的表面损伤；在不同刻划速度下进行变切深单刻划实验，同时在不同刻划间距和切深条件下进行双刻划实验，结果表明，刻划速度的增大导致脆/塑转变临界切深及临界载荷变大，刻划深度和划痕间距也对材料去除及表面损伤产生了一定地影响。
　　深入分析BK7玻璃旋转超声加工表面创成机理，采用多种方法对工件表面及亚表面损伤形貌及裂纹深度进行了检测，研究了旋转超声加工亚表面裂纹形成机理，发现残余应力诱导中位/径向裂纹和侧向裂纹系统的产生，同时在主轴高频振动作用下，金刚石磨粒印压工件表面会导致相邻压痕相互作用，产生的压痕应力场促使中位/径向裂纹沿刻划方向成核并扩展至最大，最终形成最大深度裂纹。
　　分析了端铣加工端面磨粒运动轨迹，推导出了铣削表面接触弧长和有效磨粒数量计算公式，得到了切削力与亚表面损伤深度之间的关系；采用实验设计和回归分析，建立了表面粗糙度、切削力与工艺参数之间的数学模型，提出了旋转超声加工亚表面损伤深度预测方法，并对端铣加工工艺参数进行了多目标优化。
　　基于脆性材料压痕断裂力学，分析了径向切削力与磨粒径向印压载荷之间的数学关系，通过有限元分析，研究了边缘破损产生机理，提出了产生出口崩边现象的临界条件，实现了对出口崩边尺寸的预测，探索了旋转超声加工边缘破损抑制策略。

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第1章 绪论

1.1课题来源

1.2课题的研究背景及目的和意义

1.3 BK7玻璃磨粒加工材料去除机理研究现状

1.4亚表面损伤特征及深度检测技术研究现状

1.5旋转超声加工亚表面损伤预测方法研究现状

1.6 BK7玻璃旋转超声加工边缘破损研究现状

1.7本课题的主要研究内容

第2章 基于刻划实验的BK7玻璃旋转超声加工表面损伤特征分析

2.1引言

2.2超声振动刻划实验原理及装置

2.3超声振动变切深单刻划实验研究

2.4超声振动固定切深双刻划实验研究

2.5划痕亚表面损伤形貌

2.6本章小结

第3章 旋转超声加工亚表面裂纹形成机理及深度检测

3.1引言

3.2旋转超声加工表面创成机理

3.3旋转超声加工表面损伤形貌分析

3.4基于截面显微法的亚表面损伤形貌分析

3.5基于磁流变抛光斑点法的亚表面裂纹深度检测

3.6 BK7玻璃旋转超声加工亚表面裂纹形成机理

3.7本章小结

第4章 BK7玻璃旋转超声端铣加工亚表面损伤深度预测方法

4.1引言

4.2磨粒运动特性及轨迹分析

4.3旋转超声端铣加工要素分析

4.4旋转超声端铣加工亚表面裂纹深度预测模型

4.5工艺参数与粗糙度及亚表层损伤深度之间的关系

4.6工艺参数对表面粗糙度及亚表面裂纹深度的影响

4.7旋转超声端铣加工工艺参数的优化

4.8本章小结

第5章 BK7玻璃旋转超声铣磨加工边缘破损分析

5.1引言

5.2铣磨加工侧面磨粒与磨削表面接触长度

5.3径向切削力与径向最大印压载荷关系

5.4 BK7玻璃旋转超声加工边缘破损机理

5.5 BK7玻璃旋转超声加工出口崩边发生的临界条件

5.6 BK7玻璃旋转超声加工边缘破损实验研究

5.7铣磨加工工艺参数对出口崩边尺寸的影响

5.8旋转超声铣磨加工边缘破损抑制策略

5.9本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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