基于材料去除机理的石英玻璃旋转超声端面铣削工艺研究

摘要

石英玻璃具有耐高温、膨胀系数低、耐热震性、高化学稳定性等优异性能，广泛应用于化工、电子、冶金以及国防等工业领域，但由于石英玻璃的物理机械性能尤其是韧性和强度与金属材料相比有很大差异，在加工时材料承受的载荷很容易超过材料的屈服极限而发生断裂破坏，因此，采用传统加工方式不但加工效率低，而且伴随着刀具磨损严重、破碎崩边等问题。旋转超声加工以其卓越的加工能力可为此类硬脆材料高效去除加工提供有效的解决方案。
　　本文分别从材料行为、裂纹扩展方式、刀具磨粒运动学建模与轨迹仿真以及工艺参数影响规律等四个方面对石英玻璃的高频旋转超声铣削工艺规律与材料去除机理进行讨论与分析。论文的主要工作主要从以下几个方面展开:
　　(1)基于ANSYS/LS-DYNA有限元仿真平台，对石英玻璃旋转超声铣削过程进行了建模仿真，分析了材料去除过程中刀-工作用区应力场分布特性，研究了金刚石刀具高频往复冲击时复合作用导致的裂纹萌生与扩展，阐明了材料去除机理。
　　(2)通过MATLAB软件对进给速度、主轴转速以及超声振动频率对刀具端面磨粒空间三维运动轨迹的影响规律进行运动学模拟，从理论上分析了超声激励作用对刀具磨粒速度以及加速度的影响规律，描述了金刚石磨粒运动学、动力学特征及其与待去除材料的交互作用特点。
　　(3)通过纳米压痕实验和划痕试验研究了石英玻璃在连续线性载荷控制和深度控制下的石英玻璃材料形貌变化过程，获得了石英玻璃纳米压痕载荷深度曲线以及弹-塑-脆三态变化的深度、载荷、声学信号曲线，并总结了石英玻璃微观材料去除规律以及弹-塑和脆-塑变化的临界载荷和临界切削深度。
　　(4)对石英玻璃旋转超声端面铣削工艺参数影响规律进行了试验分析，研究了进给速度、主轴转速、切削宽度以及切削深度对加工表面质量的影响规律与机理，并将传统端面铣削的工艺效果同旋转超声端面铣削进行对比，并将超声振幅对实际切削深度的影响程度进行了理论分析与试验验证。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 石英玻璃目前加工工艺条件

1．2 课题研究背景与意义

1．3 材料去除机理方面的国内外研究现状

1．4 旋转超声加工技术国内外研究现状

1．5 存在问题与课题提出

2 基于数值仿真的材料去除模式与裂纹扩展机制研究

2．1 基于有限元法的材料去除与裂纹萌生扩展研究

2．1．1 超声条件下材料去除、裂纹萌生与扩展及应力场分布的有限元分析

2．1．2 基于FEM+SPH方法的材料去除与应力场分布研究

2．2 旋转超声端面铣削空间运动学建模仿真分析

2．2．1 磨粒运动轨迹建模仿真

2．2．2 进给速度的影响

2．2．3 主轴转速的影响

2．2．4 超声频率的影响

2．3 本章小结

3 微纳米压／划痕载荷下的材料行为研究

3．1 微／纳米载荷与压痕深度／形貌的关系探讨

3．2 微／纳米压痕材料行为分析

3．2．1 压痕试验方案设计

3．2．2 压痕形貌与载荷深度曲线分析

3．2．3 材料去除模式脆-塑转变机理分析

3．3 多尺度划痕形貌与材料去除模式分析

3．3．1 划痕试验方案设计

3．3．2 划痕形貌宏微观结合分析

3．3．3 划痕载荷与脆-塑性转变临界切削深度探究

3．4 本章小结

4 旋转超声端面铣削表面形貌特征与工艺规律

4．1 试验方案设计

4．1．1 试验设备

4．1．2 参数设置

4．2 工艺参数对旋转超声铣削表面形貌的影响

4．3 工艺参数对旋转超声端面铣削表面粗糙度的影响

4．3．1 进给速度的影响

4．3．2 主轴转速的影响

4．3．3 切削宽度的影响

4．3．4 切削深度的影响

4．4 传统端面铣削与旋转超声端面铣削的工艺效果对比

4．4．1 试验方案设计

4．4．2 结果分析与讨论

4．5 本章小结

5．1 全文总结

5．2 创新点

5．3 工作不足与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究成果

致谢