硬脆材料旋转超声加工高频振动效应的研究

摘要

黑腔作为微靶装配体的核心部件，其制备质量是影响激光约束核聚变（Inertial confinement fusion，简称ICF）中点火能否成功的关键因素。而玻璃材料芯轴的加工作为黑腔制备过程的核心环节，其表面粗糙度和形状精度直接决定了黑腔的能量转化率以及靶丸的能量增益。由于硬脆材料微型精密靶结构件的尺寸非常小，承载能力较低，对亚表层裂纹异常敏感，导致其在加工过程中容易发生脆性断裂，这给微结构件的旋转超声加工（RUM）提出了严峻挑战。
　　利用微型刀具对脆性材料靶结构件进行旋转超声加工时，由于参与切削的磨粒数目有限，单个磨粒所承受的载荷较大，刀具磨粒容易脱落，往往使工件难以达到预期的表面粗糙度和形状精度。因此，本文根据微型靶结构件加工的实际需要，分析了旋转超声加工中磨粒的独特动力学特性，并对材料去除机理、表面形成过程、亚表层损伤特征、切削力和刀具磨损进行了系统深入的研究，以便为靶结构件加工提供可靠的技术支持和保证。具体研究工作包括如下几个方面：
　　分析了旋转超声加工表面的微观形貌，发现材料粉末化是除了脆性断裂、塑性变形以外的另一种主要材料去除机理。对旋转超声刻划表面损伤特征进行了动态断裂力学理论分析，提出初始裂纹是材料粉末化形成的初期阶段，磨粒的惯性力以及材料惯性力效应是导致初始裂纹成核的主要原因。在对磨粒动力学特性进行系统研究的基础上，定义了评价超声振动强弱的无量纲的超声强度特征参数K，实现了对高频振动效应的定量表征。另外，系统分析了高频振动效应对磨粒的惯性力、工作角度以及材料动态断裂力学性能的影响，提出了适用于旋转超声加工的表面形成过程新模型。
　　借助于截面显微法分析了高频振动对亚表层裂纹构型的影响，发现粉末层由微米/亚微米级碎片堆积而成，且仅仅覆盖于加工表面，并未扩展至材料内部。基于脆性材料的断裂动力学理论，分析了粉末化的形成机理，提出超声振动的叠加增大了材料的应力强度因子，降低了材料的动态断裂韧性，最终导致粉末化的形成。另外，当磨粒运动至其轨迹最低点时，磨粒切削深度的增加导致侧向裂纹和中位裂纹扩展深度增长，这是导致旋转超声加工亚表层损伤深度增加的根本原因。
　　利用光滑质点流体动力学法（SPH）实现了对磨粒冲击工件表面过程的数值仿真，提出了一种能够模拟脆性材料内部裂纹形成及扩展过程的新方法。基于压痕断裂力学理论，研究了中位裂纹与和侧向裂纹之间的内在关系，综合考虑弹性应力场和塑形应力场对中位裂纹和侧向裂纹扩展深度的影响，建立了工件表面粗糙度与亚表层裂纹扩展深度之间的非线性关系模型，实现了对亚表层损伤深度的有效预测。
　　在对磨粒动力学特性进行分析的基础上，基于脆性材料的动态压痕断裂力学理论，提出了磨粒加载过程中材料应变率的计算公式，实现了对旋转超声加工中材料应变率的定量描述。在综合考虑应变率效应对磨粒-工件相互作用过程影响的基础上，提出了旋转超声加工过程中脆性材料的脆-塑转变临界条件。通过在初始裂纹中心位置进行压痕实验，发现初始裂纹的成核对于切削力具有良好的屏蔽效应，且初始裂纹相对疏松的结构特点使其易于向前扩展，导致材料去除率提高，切削力进一步降低，这为旋转超声加工中优选工艺参数提供了理论依据。
　　分析了超声振动对刀具的磨损区域性特征、轮廓形状和端面磨粒数目的影响，提出超声振动使得单个磨粒所承受的载荷降低，从而抑制了刀具的轮廓磨损和磨粒脱落，最终提高了工件的形状精度和表面质量。通过对旋转超声加工中刀具端面磨粒的微观破碎形貌进行分析，发现磨粒的破碎形态主要为材料崩碎所产生的浅表层贝壳状缺陷（微观破碎）。借助于霍普金森杆冲击实验测试材料的动态力学性能，提出高应变率效应使材料的弹性模量增加，从而降低了磨粒内部裂纹的成核深度，最终导致磨粒的微观破碎。

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第1章 绪 论

1.1 课题研究的目的和意义

1.2 旋转超声加工技术概述

1.3 旋转超声加工材料去除机理研究现状

1.4 亚表层损伤及深度检测技术研究现状

1.5 旋转超声加工切削力研究现状

1.6 旋转超声加工刀具磨损研究现状

1.7 本文的主要研究内容

第2章 旋转超声加工表面微观形貌特征及形成机理

2.1 引言

2.2 单个磨粒动力学特性分析

2.3加工表面微观形貌分析及材料去除机理

2.4 旋转超声加工表面形成机理研究

2.5 加工工艺参数对工件表面粗糙度的影响规律

2.6 本章小结

第3章 旋转超声加工亚表层损伤特征及深度预测方法

3.1 引言

3.2 旋转超声加工亚表层损伤形式及形成机理

3.3 高频振动对亚表层损伤深度和分布的影响

3.4 基于SPH算法的裂纹形成过程仿真分析

3.5亚表层损伤深度预测方法研究

3.6 本章小结

第4章 超声振动对刀具切削力及材料去除过程的影响

4.1 引言

4.2高频振动引起的材料应变率效应分析

4.3 实验方案设计

4.4 RUM划痕形貌分析

4.5 RUM和CG压痕结果分析

4.6 脆-塑转变临界条件的建立

4.7实验验证

4.8 本章小结

第5章 旋转超声加工中刀具磨损的理论及实验研究

5.1 引言

5.2 刀具磨损实验方案和实验条件

5.3刀具的轮廓磨损及其对工件形状的影响

5.4刀具端面形貌特征分析与磨粒数目统计

5.5 霍普金森杆冲击实验

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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