《硬脆材料旋转超声加工高频振动效应的研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《硬脆材料旋转超声加工高频振动效应的研究（128页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、博士学位论文硬脆材料旋转超声加工高频振动效应的 研究HIGH FREQUENCY VIBRATION EFFECTS IN ROTARY ULTRASONIC MACHININGHARD-BRITTLE MATERIAL吕东喜哈尔滨工业大学2014 年 2 月国内图书分类号：TG663学校代码：10213 国际图书分类号：621密级：公开工学博士学位论文硬脆材料旋转超声加工高频振动效应的 研究博 士 研 究 生：吕东喜导师：王洪祥 教授副导师：唐永健 教授申请学位：工学博士学科：机械设计及理论所在单位：机电工程学院答辩日期：2014 年 2 月授予学位单位：哈尔滨工业大学Classified
2、Index: TG663 U.D.C: 621Dissertation for the Doctoral Degree in EngineeringHIGH FREQUENCY VIBRATION EFFECTS IN ROTARY ULTRASONIC MACHININGHARD-BRITTLE MATERIALCandidate：Lv DongxiSupervisor：Prof. Wang HongxiangAssociate Supervisor：Prof. Tang YongjianAcademic Degree Applied for：Doctor of EngineeringSpe
3、ciality：Mechanical Design and TheoryAffiliation：School of Mechatronics EngineeringDate of Defence：February, 2014Degree-Conferring-Institution：Harbin Institute of Technology摘 要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
4、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
5、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
6、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
7、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- I -摘 要效预测。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
8、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。关键词：旋转超声加工（RUM）；普通磨削加工（CG）；材料去除机理；应变率效
9、 应；动态断裂力学- II -AbstractAbstractAs the core component of the micro-target assembly, the preparation quality of the hohlraum became the key constraint to the ignition success in the Inertial Confinement Fusion (ICF). Processing of the glass mandrel was the core aspects in the hohlraum preparation proc
10、ess, and its shape accuracy and surface roughness directly determined energy conversion rate of the hohlraum and the pellet energy gain. Due to its the small size, low bearing capacity and subsurface crack sensitivity, the precision target micro-structure could fracture easily during the processing,
11、 which presented a challenge to the Rotary Ultrasonic Machining (RUM).When machining the target structure with the micro-tools, the abrasives were easily fell off, due to the limited abrasive number involved in machining and the large loading acted on the abrasives, which made it difficult to achiev
12、e the desired surface roughness and shape accuracy. Therefore, in the present work, based on the actual needs of the target structure machining, the unique dynamics characteritics of the abrasive were investigated. Also, the material removal mechanisms, surface formation process, sub-surface damage
13、characteristics, the cutting force and tool wear characteristics were comprehensively, systematically explored, which would provide the reliable technical and theoretical guidances for the requirements on the high quality target structure. Detailed research work includes the following aspects:Micros
14、copic observations of the RUM surface presented that pulverization could be another material removal mechanism besides brittle fracture and plastic deformation. The damage characteristics of the RUM scratching surfaces were investigated using the dynamic fracture mechanics of the brittle material, a
15、nd it was revealed that incipient cracks acted as the initial stage of the material pulverization were resulted from the great vertical inertia force of the abrasive and the inertial effects of the material. Based on the analyses of the specific kinematics principles of the abrasive, a nondimensional parameter K was defined to quantitatively characterize the effects of the ultrasonic vibration in RUM process. A fresh analytical model of
