硬脆难加工材料高速磨削表面完整性及亚表面损伤研究

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1、万方数据学校代号：10532学号：B1202S005密级：无湖南大学博士学位论文硬脆难加工材料高速磨削表面完整性及亚表面损伤研究万方数据Studyonthesurfaceintegrityandsubsurface1●●●‘●●●^damageinhighspeedgrindmgothardbrittlematerialsCHENJianbinB．E．(HunanUniversity)2010Adissertationsubmittedinpartialsatisfactionoftherequirementsfor

2、thedegreeofDoctorofEngineering1nSolidMechanicsintheGraduateSchoolofHunanUniversitySupervisorProfessorFANGQihongNovember,2015川4Ⅲ2Ⅲ4Ⅲ6㈣9㈣0川3川Y万方数据湖南大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特另,JJm以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体

3、，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：侨例砥作者签名：抓∥l诽、日期：7P砰72月多日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于l、保密0，在年解密后适用本授权书。2、不保密函。(请在以上相应方框内打“、／”)作者签名：

4、豫匀氓导师签名：日期：．珈∥年／1月<日日期：≥日庐Jz月7日万方数据硬脆难加工材料高速磨削表面完整性及亚表面损伤研究摘要硬脆材料如空间光学镜片、蓝宝石玻璃、晶体硅等，被广泛应用于航空航天、武器装备制造、微电子机械系统等国防及民用领域。然而，硬脆材料的高硬度、低韧性等缺点成为它的软肋，在传统的切削、磨削等加工制造中很容易产生裂纹、残余应力等缺陷，其中最为关键的问题是加工后亚表面损伤过大，必须通过后续的研磨抛光来去除，延长了制造周期，降低了加工效率。高速超高速磨削是磨削技术的飞跃，具有磨削力小、磨削区温度低、材料去除率

5、高等特点，可集粗、精加工于一体，从而获得良好的表面完整性和亚表面质量，已作为高效的加工工艺广泛应用在硬脆材料的加工中。另一方面，高速磨削本质上是一个非线性、高度动态性的强热力耦合过程，是一个物理、力学、摩擦学等多学科交叉的复杂工程问题，影响因素众多，因此也带来了诸多新机理研究和对传统磨削机理的突破性挑战。为实现硬脆难加工材料的高效低损伤乃至无损伤磨削加工，本论文对高速磨削过程中磨粒与工件之间的作用规律展开了较为系统的研究：分析了不同磨削参数对工件残余应力分布及离散度的影响；建立了考虑主轴振动的高速精密磨削亚表面损伤预

6、测模型，探讨了工件表面粗糙度和亚表面损伤的内在关联；基于微观磨削力模型和比磨削能的概念，揭示了椭圆超声辅助振动磨削的脆塑性转变行为机理，明确了延性域磨削的控制条件；此外，为通过裂纹的可控或自愈性能实现裂纹件的重复利甩，提出了热辅助磨削模型，分析了磨削参数和表面热源对亚表面裂纹扩展的影响。本论文的主要研究成果和创新性工作如下：(1)建立了考虑热力耦合效应和磨粒旋转运动的单颗磨粒高速磨削残余应力分析的三维有限元仿真模型。通过对磨削接触区和非接触区相应点的应力和温度历程进行分析，揭示了强热力耦合效应下工件加工后所呈现的复杂

7、应力状态和温度分布情形；运用数理统计的方法，详细分析了磨削速度和磨削深度等对加工工件残余应力离散度的影响，发现较小的磨削深度和较大的磨削速度均有利于工件实现更稳定的残余应力分布。通过了解和掌握工件加工表面的残余应力分布特性，能够提高疲劳寿命预测精度，并通过控制机械加工表面残余应力去提高工件的疲劳寿命、可靠性等，具有重要的工程应用价值。(2)基于磨削运动学特性和压痕断裂力学原理，考虑微观磨削时砂轮主轴的振动效应，建立了新的表面粗糙度及亚表面损伤预测模型。通过理论和试验的对比分析，揭示了不同磨削参数对表面粗糙度及亚表面裂

8、纹深度的影响规律；讨论了表面粗糙度及亚表面损伤随砂轮主轴振动幅值及频率等参数的变化情况。结果表明，表面粗糙度和亚表面损伤随工件速度和主轴振幅的增加而增大，使得表面万方数据博士学位论文和亚表面质量变差。相反，磨削速度的增加和主轴振动频率的降低能够改善表面和亚表面的质量。因此，砂轮主轴的设计应保证有足够高的刚度，以避开高速磨削时较高的旋转频率，避免