硬脆材料椭圆超声振动磨削的脆塑性转变行为研究(2015上海)

1、2015中国力学大会2022-7-2机械与运载工程学院 工程力学系1硬脆材料椭圆超声振动磨削的脆塑性转变行为研究方棋洪 陈剑斌2015中国力学大会2022-7-2机械与运载工程学院 工程力学系2主主要要内内容容三二四一五主要研究工作研究背景及现状近期研究工作结果分析结 论2015中国力学大会2022-7-2机械与运载工程学院 工程力学系3 一 研究背景及现状 硬脆材料硬脆材料（如工程陶瓷、光学玻璃等）具有独特的物理力学性能（如工程陶瓷、光学玻璃等）具有独特的物理力学性能l 密度低、化学稳定性好、高温下硬度及强度大 在国防及民用领域有重要应用1-3，特别是大型光学镜片在大型天文望远镜、空间望远镜

2、、激光核聚变装置、高能激光武器、精密光学测量装置需求量很大。 l 断裂韧度低、可加工性差表面及亚表面损伤，更换率高（微裂纹、变质层、残余应力；高能激光镜片每年的更换率达10-20%）1、欧洲E-ELT望远镜：主镜直径达42米，主镜面需906片镜面单元拼接而成4。2、国内在建的激光核聚变装置“神光III”：至少3000片以上大型激光镜片。3、贵州在建的世界最大望远镜：500米口径球面射电望远镜，需要4600片大型镜片。图1.2 哈勃太空望远镜图1.1 赫歇尔太空望远镜图1.3 激光核聚变图1.4 500米口径球面射电望远镜2015中国力学大会2022-7-2机械与运载工程学院 工程力学系4 一

3、研究背景及现状 使用要求使用要求 传统的加工方法传统的加工方法制造工艺：制造工艺：铣磨铣磨+ +研抛研抛磨削后镜面亚磨削后镜面亚表面损伤过大表面损伤过大修正镜面面型误差修正镜面面型误差去除亚表面损伤层去除亚表面损伤层制造周期长制造周期长效率低效率低高效低损伤磨削脆性光学材料高效低损伤磨削脆性光学材料 亟待解决的重要问题亟待解决的重要问题 大型光学镜片大型光学镜片极高的面型精度极高的面型精度 光学性能光学性能抗损伤能力抗损伤能力控制镜片亚表面损伤控制镜片亚表面损伤2015中国力学大会2022-7-2机械与运载工程学院 工程力学系5 一 研究背景及现状 内容涉及内容涉及材料去除机理、延脆转化机制、

4、表面粗糙度材料去除机理、延脆转化机制、表面粗糙度(surface (surface roughness,SR)roughness,SR)与亚表面损伤与亚表面损伤(subsurface damage,SSD)(subsurface damage,SSD)的评估及其关的评估及其关系、新的加工工艺等系、新的加工工艺等5-75-7。 手段涉及手段涉及实验、理论、数值模拟等实验、理论、数值模拟等。图1.5 超高速磨削实验图1.7 单颗磨粒仿真9图1.6 压痕断裂力学模型8降低亚表面损伤降低亚表面损伤 提高效率提高效率、表面质量、表面质量 合理选择合理选择磨削参数磨削参数，如，如提高磨削速度提高磨削速度（

5、Tonnellier X. Cranfield University, England, 2009）2015中国力学大会2022-7-2机械与运载工程学院 工程力学系6 二 主要研究工作 主要研究工作主要研究工作1 1、建立建立了了划痕作用下单晶硅亚表面划痕作用下单晶硅亚表面损伤形成损伤形成的力学新模型的力学新模型，揭示揭示划痕参划痕参数数与与亚表面损伤亚表面损伤的关联，并的关联，并获得亚表面缺陷形核的获得亚表面缺陷形核的临界划痕力。临界划痕力。(Acta Materialia, 2013, 61: 5469-5476)2 2、建立建立了了表面荷载作用下表面荷载作用下亚表面位错与裂纹的交互作用

6、理论模型，揭示亚表面位错与裂纹的交互作用理论模型，揭示其交互作用的规律其交互作用的规律。（Engineering Fracture Mechanics, 2013, 114: 115-126 ）2015中国力学大会2022-7-2机械与运载工程学院 工程力学系7 二 主要研究工作 主要研究工作主要研究工作 3 3、进行了难加工材料进行了难加工材料40Cr的的单颗磨粒高速磨削单颗磨粒高速磨削仿真研究，主要分析仿真研究，主要分析了工件残余应力分布情况了工件残余应力分布情况，仿真结果可以为，仿真结果可以为揭示脆性材料高速磨削热揭示脆性材料高速磨削热力耦合效应以及材料去除机制提供科学依据。力耦合效应以

7、及材料去除机制提供科学依据。( International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2014, DOI 10.1007/s00170-014-6128-5 ) 4 4、对单晶铜对单晶铜/ /硅的纳米尺度高速磨削进行了分子动力学研究，重点分硅的纳米尺度高速磨削进行了分子动力学研究，重点分析了析了磨削参数对亚表面损伤的影响机制磨削参数对亚表面损伤的影响机制。 (Applied Surface Science 2014，303：331-343 )2015中国力学大会2022-7-2机械与运载工程学院 工程力学系8 三 近期研究工作

8、存在的问题10-12：l 超声振动频率和幅值严重影响去除机理、磨削力、热损伤、表面形貌及粗糙度等。l 评估SR和SSD的关系时未见考虑主轴振动的影响。3.1 主轴振动对表面轮廓的影响123.2 平面磨削运动学特性132015中国力学大会2022-7-2机械与运载工程学院 工程力学系9 三 近期研究工作 问题的提出：砂轮振动对SR和SSD的影响l 磨削条件及砂轮振动对脆性材料磨削加工表面粗糙度及亚表面损伤的影响。（基于压痕断裂力学和磨削运动学） 问题的意义：l 提高SR及SSD的预测精度 l 为砂轮主轴的设计提供指导，以助于 实现高效率、低损伤脆性材料磨削。图3.3 考虑主轴振动的磨削运动学特性

9、2015中国力学大会2022-7-2机械与运载工程学院 工程力学系10 三 近期研究工作 基本方程：l 磨粒运动轨迹 局部坐标系:OXY 全局坐标系:OXYl 表面轮廓l 侵彻深度000sin,t1 cossin 2sin,mw mmmmmmmv mmmmpxv tRyRAf tAyaarcsinarcsin22111|r Rr Rssmmmmmim t tmm t tmt tt thxxyy00.511.522.5x 104-5051015X coordinate values (m)Y coordinate values (m)With wheel vibration 3.4 表面轮廓20

10、15中国力学大会2022-7-2机械与运载工程学院 工程力学系11 三 近期研究工作 基本方程：l 磨粒尖端与加工表面的间距 l 侧向裂纹及横向裂纹经验公式14 其中 ， 为与材料属性及磨粒几何有关的系数l 表面粗糙度SR及亚表面损伤SSD预估公式1410mmmimppYyaa111maxmmmLiiiSRchY111maxmmmMiiiSSDchY4/3MiMicK hMKLK2015中国力学大会2022-7-2机械与运载工程学院 工程力学系12四 结果分析 材料属性1,14,15： 仿真条件：2015中国力学大会2022-7-2机械与运载工程学院 工程力学系13四 结果分析 磨削条件的影响

11、：l 工作台速度vw图4.1 工件速度对SR及SSD的影响表4.1 工件速度对SR/SSD拟合结果的影响SR和SSD均随vw的增大而增大(增大vw会使单颗磨粒的侵彻深度增大)SSD可以较好地用SR的二次多项式进行拟合vw 越小，拟合精度越高2015中国力学大会2022-7-2机械与运载工程学院 工程力学系14四 结果分析 磨削条件的影响：l 磨削速度vs表4.2 磨削速度对SR/SSD拟合结果的影响图4.2 磨削速度对SR及SSD的影响转速较高时，二次多项式可较好拟合二者关系随vs增大,SR和SSD均减小，影响显著(增大vs会使单颗磨粒未变形磨屑厚度减小)2015中国力学大会2022-7-2机

12、械与运载工程学院 工程力学系15四 结果分析 磨削条件的影响：l 初始磨削深度图4.3 对SR及SSD的影响10pa10pa表4.3 对SR/SSD拟合结果的影响10pa 增大,SSD增大；对SR影响较小10pa(影响Yi和接触时间)拟合精度较高，受 影响较小10pa2015中国力学大会2022-7-2机械与运载工程学院 工程力学系16四 结果分析 磨削实验对照：l 试件尺寸：BK7,604020 mm3l 表面形貌(SEM)图4.4 脆性材料磨削过程的几种不同形态 (a)脆性断裂 (b)划擦 (c)塑性去除2015中国力学大会2022-7-2机械与运载工程学院 工程力学系17四 结果分析 磨

13、削实验对照：l 实验参数对SR的影响图4.5 磨削条件对加工表面粗糙度的影响 (a) 工件速度 (b)磨削速度影响规律与理论结果一致2015中国力学大会2022-7-2机械与运载工程学院 工程力学系18四 结果分析 磨削实验对照：l SSD观测结果 再现典型裂纹系统图4.6 脆性材料磨削典型裂纹系统 (a)光学显微 (b)SEM2015中国力学大会2022-7-2机械与运载工程学院 工程力学系19四 结果分析 磨削实验对照：l 亚表面观测结果 不同位置SSD深度 (瞬时切深、振动相位等)图4.7 不同位置的亚表面损伤深度2015中国力学大会2022-7-2机械与运载工程学院 工程力学系20四

14、结果分析 砂轮振动的影响：l 振动幅值AA越大,SR和SSD越大表4.4 振动频率对SR/SSD拟合结果的影响图4.8 振动幅值对SR及SSD的影响拟合精度高，受A影响较小2015中国力学大会2022-7-2机械与运载工程学院 工程力学系21四 结果分析 砂轮振动的影响：l 振动频率fv频率系数cf=fv/fw越大cf，SR和SSD均越大 (保证轴有足够刚度)图4.9 振动频率对SR及SSD的影响表4.5 振动频率对SR/SSD拟合结果的影响cf1.5时，拟合精度高2015中国力学大会2022-7-2机械与运载工程学院 工程力学系22四 结果分析 砂轮振动的影响：l 振动初相位随 增大，SSD

15、小幅增大，SR基本不变 (同时影响hi和Yi，且单调性一致)图4.10 振动初相位对SR及SSD的影响表4.6 振动初相位对SR/SSD拟合结果的影响00拟合精度高，受 影响很小02015中国力学大会2022-7-2机械与运载工程学院 工程力学系23五 结论 由于磨削速度及工件速度对未变形磨削厚度的不同影响，增大磨削速度有利于提高BK7磨削表面及亚表面质量，增大工件速度将降低其表面及亚表面质量。 较小的振动幅值及频率对应较好的磨削表面及亚表面质量，因此可以通过增加主轴的设计刚度，避开其固有频率（共振），获取较好的磨削质量。 初始磨削深度一方面直接影响磨粒尖端到加工表面的距离，另一方面通过影响磨

16、粒与工件的接触时间对侵彻深度间接起作用；振动初相位同时影响磨粒尖端到加工表面的距离和侵彻深度，且单调性一致。因此初始磨削深度和振动初相位的增大将导致SSD的增大，却对SR没多大影响。 SSD随SR非线性递增；二次多项式对二者关系的拟合受磨削及振动参数影响，其中磨削速度及振动频率对拟合精度影响显著；当砂轮转速大于4500r/min、振动频率1.5倍转动频率时，拟合精度高且受其他参数影响小。2015中国力学大会2022-7-2机械与运载工程学院 工程力学系24 主要参考文献1 A Perveen et al., Int J Abrasive Technology 2012, 5:72-922 P

17、Shore et al., CIRP Annals-ManufacturingTechnology 2010, 59 (2): 694-7163 P Ubertini et al., Advances in Space Research 2012, 50(1): 1-554 R Gilmozzi et al., Advances in Space Research 2012, 50(1): 1-555 S Agarwal et al., Int J Mach Tools Manuf 2008, 48(6) :698-7106 YG Li et al., Appl Surf Sci 2011,

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