氧化锆陶瓷超精密飞刀加工仿真与试验研究

摘要

氧化锆陶瓷作为一种先进的工程材料，具有高硬度、耐高温、耐磨损和耐烧蚀等优良的材料性能，在航天航空、生物医学以及信息通讯等领域得到了广泛应用。但其作为一种典型的硬脆性材料，切削加工过程中存在已加工表面易产生脆性断裂，刀具磨损严重等问题，严重制约了其大规模的推广和使用。氧化锆陶瓷产品对表面完整性具有极高的要求，金刚石飞切作为一种超精密加工技术，具有较高的加工精度和效率，在该材料的切削加工成型中展示出了可行性和优势。本文设计并搭建超精密飞刀加工子平台，以脆性材料的脆塑转变为理论基础，通过有限元仿真分析氧化锆陶瓷材料的去除机理，在已搭建好的加工平台上开展金刚石飞切氧化锆陶瓷工艺试验研究，探索了氧化锆陶瓷的可加工性。 基于现有三轴超精密铣床设计并搭建超精密飞刀加工平台,包括飞刀系统的结构设计和动态特性有限元分析，仿真结果表明系统的各阶固有频率远高于飞刀盘的转频，可有效避免发生共振，且飞刀盘在高速旋转时应变较小，对加工过程产生的影响很小；设计了一套用于超精密飞刀加工在机动平衡调试的方法与装置，通过其对飞刀盘进行动平衡调试，保证平衡精度等级符合空气主轴的精度要求。 通过纳米压痕和维氏压痕实验测定氧化锆陶瓷微观力学性能参数，并使用Bifano经验公式估算其脆塑转变临界切削厚度。基于JH2本构模型在LS-DYNA中建立了氧化锆陶瓷SPH切削仿真模型，通过仿真分析研究材料脆/塑性切削过程中材料去除机理、切屑形态、裂纹产生和扩展方式，并探索不同工艺参数和刀具参数对切削力、应力应变、脆塑转变的影响规律。通过飞切实验测量氧化锆陶瓷脆塑转变临界切屑厚度，验证仿真模型的正确性。 在已搭建好的超精密飞刀加工子平台上，分别采用径向和轴向飞切方式进行氧化锆陶瓷的精密飞切试验，分析飞切过程中的表面形貌、切削力特征、刀具磨损，探索飞刀加工氧化锆陶瓷的可行性，并以控制飞切区域最大未变形切屑厚度作为选择切削参数的原则，实现氧化锆陶瓷材料的塑性域精密加工，获得高质量的加工表面。

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