硬脆材料旋转超声制备高频振动效应研究

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1、硬脆材料旋转超声制备高频振动效应研究第1章绪论1.1课题研究的目的和意义本课题于中国工程物理研究院激光聚变中心国家点火工程（863计划）子课题XXXXXXXXXXXXXXXX（项目编号：XXXX）以及国家自然科学基金委员会与中国工程物理研究院联合基金项目熔石英元件亚表面加工缺陷形成机理与控制技术研究（项目编号：U1230110）。随着国民经济的发展和社会的进步，人类对能源的消耗与日俱增。而现有的能源主体化石燃料（石油、煤炭、天然气等）正面临着日益枯竭的严峻形势，迫切需要寻找一种环保高效、取之不尽、用之不竭的新型能源，

2、而受控热核聚变反应释放的聚变能便是理想的候选能源之一。核聚变是指质量较小的氘或氚气体在超高温高压条件下发生原子核聚变反应生成质量较大的原子，同时释放出大量的能量的过程。核聚变反应需要将高密度的等离子体加热到足够高的温度，并维持原子核融合所需要的时间。为了创造核聚变所需要的苛刻条件，国内外科学家倾注了大量的心血，到目前为止，虽然在核聚变理论和实验研究方面已经取得了长足的进步，但该项技术仍处于试验研制阶段，真正意义上的点火还从未实现过[1]。人们提出的可控核聚变反应主要有磁约束核聚变（MCF）和惯性约束核聚变（ICF）两

3、种[1,2]。其中，惯性约束核聚变的基本思想是以激光或离子束作为驱动源，均匀地照射填充有氘氚（DT）燃料的微球状靶丸表面，在球壳表面形成高温高压的等离子体，通过烧蚀主燃料层在氘氚区域形成高密度热斑，达到热核反应所需的条件，最终实现点火。.1.2旋转超声加工技术概述旋转超声加工是由传统超声加工发展而来的一种新型复合加工技术，并以其优异的加工效果引起了国内外众多学者广泛的关注。最早的旋转超声加工系统由英国人Legge于1964年发明，他对旋转超声加工理论进行了探索性研究，取得了初步的研究成果[15]。随后前苏联、美国和日

4、本等国家相继开展了旋转超声加工技术方面的研究，但是这些早期的研究主要以旋转超声孔加工为主。近些年来，随着硬脆材料结构件实际需求的增多，人们逐步拓展了旋转超声加工的应用范围，并取得了大量研究成果，许多成果已经进入工程应用阶段。超声加工（USM）是上世纪60年代逐步发展起来的一种特种加工技术，在难加工材料的精密加工领域，具有普通机械加工无法比拟的优势，逐渐成为仅次于普通磨削的最常用的硬脆材料加工方法。图1-4所示为超声加工的原理图[16]。可以看出，换能器将超声波发生器生成的高频电振荡信号转换为超声机械振动信号，该振动信

5、号经变幅杆放大以后最终转化为刀具的高频（10～50kHz）、低幅（2～50μm）轴向振动。在USM加工过程中，刀具以一定的的静压力（加工压力）与工件接触，刀具的超声振动带动磨料悬浮液中的磨粒不断地冲击、磨蚀工件表面。由于磨粒冲击工件表面的瞬时加速度高达410个重力加速度，因此，在磨粒惯性力的作用下，工件表面产生局部高应力，最终将材料粉碎为无数微小碎片，并随着磨料悬浮液的不断循环被带离加工区域[17]。第2章旋转超声加工表面微观形貌特征及形成机理2.1引言旋转超声加工通过磨粒与工件材料之间的相互挤压、撕扯作用在去

6、除材料的同时，也会在已加工表面残留多种形式的表面损伤。而精密靶结构件的表面缺陷容易引起电镀过程的尖端效应，导致镀层表面出现漏镀区，从而削弱了镀层对DU层的保护作用。虽然电镀过程的整平性可以降低镀层的表面缺陷，但是较厚的镀层增加了芯轴的腐蚀时间，使得+H易于渗入DU层。鉴于工件表面质量对镀层质量的重要影响，需要对旋转超声加工表面的损伤形貌特征、产生机理以及影响规律进行深入系统研究，为优化加工工艺参数提供相应的理论指导。本章在对典型旋转超声加工表面损伤形式及形貌特征进行系统分析的基础上，通过研究单个磨粒的高频振动效应，探

7、讨表面损伤的形成机理；通过分析单个磨粒的动力学特性，定义表征超声振动效应强弱的超声强度特征参数，并将该参数与加工工艺参数有机地结合起来；依据旋转超声刻划实验结果，综合考虑磨粒的超声振动效应，系统分析单个磨粒引起的划痕表面损伤形貌。从而实现了对旋转超声加工中高频振动效应的定量表征；并建立适用于旋转超声加工过程的表面形成过程新模型。2.2单个磨粒动力学特性分析在硬脆光学材料的磨粒加工过程中，外部载荷借助于固着在刀具上的磨粒作用于工件表面，产生弹/塑性应力场，当材料内部的应力达到或超过其断裂极限时，在工件表面及内部产生横向

8、和中位/径向两种不同的裂纹系统，分别形成加工表面及亚表层损伤。从这个角度出发，高频振动对旋转超声加工过程的影响从本质上而言是通过改变磨粒的动力学特性，进而改变了磨粒与工件所处的应力状态，而表面质量、亚表层损伤深度、切削力和刀具磨损等统计参量是对这些变化从不同角度的定性或定量描述。因此，对磨粒动力学特性进行深入系统研究有助于全面了解高频振动效应对