高速外圓磨削熱力耦合機理及其對表面完整性的影響.pdf

1、結構陶瓷具有耐高溫、抗腐蝕、高耐磨、高剛度重量比等優(yōu)越特性，但其質地硬脆，傳統(tǒng)工藝的可加工性能差，遠遠不能滿足國防軍工、航空航天、尖端科技，以及高速發(fā)展的鐵路、船運等領域的需要。高速磨削有望破解難加工材料結構陶瓷高效、高表面完整性加工難題，但在高速磨削時，工件材料處于超常應變率狀態(tài)，在瞬間發(fā)生激變，其在高應變率下的高速磨削機理、磨削表面完整性保證等有待進一步深入研究與實踐。工業(yè)中大量使用的軸類外圓磨削中，缺乏磨削溫度和磨削力同時測試的裝

2、置和方法，難以考察高速外圓磨削下的熱力耦合作用對表面完整性的影響。
　　針對以上結構陶瓷高速磨削技術存在的瓶頸問題，本文以結構陶瓷碳化硅(SiC)和外圓磨削為對象，開展高速磨削熱力耦合機理與其對陶瓷工件表面完整性影響的研究，主要研究成果和創(chuàng)新點包括:
　　1.綜合采用了材料本構模型、狀態(tài)方程、以及失效準則開展了脆性材料去除機理的有限元仿真研究。提出了SiC陶瓷高速磨削應變率作用下微裂紋的形成原理。基于有限元仿真和高速磨削實驗

3、結果，揭示了脆性材料高速磨削熱力耦合共同作用下的磨削表面增韌機理，即高速磨削高溫所致的材料軟化、以及高應變率促進和擴展的磨削表面微裂紋云，從而減少了主裂紋的擴展，產生了微裂紋屏蔽增韌效應。突破了現(xiàn)有脆性材料去除機理的研究主要依據靜態(tài)加載條件下的臨界成屑厚度模型，該模型未涉及磨粒-工件接合面上磨削溫度對工件材料物理、機械性能的影響和軟化效應，也未涉及磨粒和工件相對運動速度所產生的高應變率對脆性材料的增韌、軟化效應。
　　2.鑒于目前

4、陶瓷磨削性能評價體系中缺乏一個能同時表征材料去除能力和表面損傷影響的定量指標，通過對雙主應力（平行磨削方向主應力和垂直磨削方向主應力）的分析，提出了一個新的表征要素:脆性材料可磨削性指數(shù)Gμ。通過高速磨削實驗構建Gμ值-vs關系圖，發(fā)現(xiàn)當砂輪速度vs為20-60 m/s時，提高砂輪速度不能顯著提高SiC陶瓷的可磨削性指數(shù);而當砂輪速度vs繼續(xù)提高到80-140 m/s時，可磨削性指數(shù)將提高到原來的1.2-1.5倍，表明脆硬材料在高速磨削

5、時的應變率所產生的微裂紋屏蔽效應與高溫所產生的軟化效應是脆性材料增韌的主要原因。
　　3.發(fā)明了一種適用于回轉體零件的高速磨削溫度和磨削力的測試裝置和方法，提出和設計了高速外圓磨削工件表面溫度和磨削力同時在線測量的工件結構、合理規(guī)劃了磨削力和溫度傳感器的布局，實現(xiàn)了磨削力、熱在同一次磨削過程中的同步測量，為高速磨削熱力耦合機理的深入研究奠定實驗測試基礎。同時，所提出的剖分工件結構也為后續(xù)亞表面損傷的SEM測量提供了便利，可以避免磨

6、削后再切割所帶來的二次損傷。
　　4.采用基于工件表面溫度的熱分配比計算(RW-WST)方法，建立了基于RW-WST的熱分配比RW數(shù)學模型，克服了現(xiàn)有磨削熱分配的計算主要仍需通過熱流分布模型及磨削熱分配比的兩次假設的計算缺陷。經實驗結果表明:應用RW-WST法不需要假設熱流分布模型，通過實測工件表面溫度，可以真實客觀地計算陶瓷高速外圓磨削中進入工件表面的熱流強度分布。
　　5.通過高速磨削實驗和X射線衍射殘余應力分析技術，探