预压应力下工程陶瓷超声振动压痕和划痕实验研究

发布时间：2017-06-19 06:01

  本文关键词：预压应力下工程陶瓷超声振动压痕和划痕实验研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：工程陶瓷由于具有高强度、抗腐蚀、耐热、耐磨损等优越的性能,在航空航天、机械、汽车、电子等领域中得到了广泛的应用。随着工业技术的进步,陶瓷零部件的加工也不断向高效率、超精密等方向发展。然而,由于陶瓷材料本身的高硬度和高脆性,采用传统的磨削加工难以避免产生加工损伤,如表面/亚表面裂纹,粉末化层、残余应力等,这将影响材料表面的性能,降低材料的强度,甚至导致陶瓷零部件的提前失效。此外,磨削加工效率低,其成本达到了整个加工成本的90%以上。因此,如何实现工程陶瓷高效、低损伤加工一直是研究的重要课题。本文提出了一种工程陶瓷的预压应力下超声振动的加工方法。主要研究工作内容如下:基于压痕断裂力学和陶瓷材料断裂力学理论,对预压应力下工程陶瓷超声振动加工机理进行了理论分析。建立了预压应力下超声振动加工切削力与切削深度之间数学关系,以及在塑性和脆性去除下材料去除率的数学模型。搭建了预压应力超声振动压痕/划痕实验装置。重点对超声变幅杆进行了设计,首先采用波动理论确定超声变幅杆特征参数的解析值,进而采用有限元ANSYS软件中进行验证,优化,最后对变幅杆进行制造和调试。进行了预压应力下工程陶瓷超声振动压痕和划痕实验的研究。分别观察和分析预压应力,超声振动,预压应力和超声振动共同作用对工程陶瓷表面和亚表面裂纹扩展,划痕沟槽的宽度和深度、压痕法向载荷、划痕切削力、振动信号的影响等。进行了预压应力下超声振动划痕压头磨损实验的研究。从压头的磨损形貌、切削力、振动信号三个方面阐述了超声振动、预压应力对压头磨损的影响。基于Matlab小波变换对加工工件的表面质量及压头磨损规律进行了分析。采用离散元软件PFC~(2D)对预压应力下工程陶瓷超声振动压痕和划痕进行了离散元模拟。研究了预压应力,超声振动,预压应力和超声振动共同作用下对工程陶瓷压/划痕的裂纹扩展,以及压痕法向力,划痕切削力,应力的影响等。从本文理论分析、实验研究和数值模拟三个角度所得出的研究结果可以看出,预压应力下工程陶瓷超声振动加工能有效地增大材料的去除率,减小切削力,同时抑制了加工过程中表面/亚表面裂纹的扩展,从而减少了加工损伤,改善了材料的表面质量,实现了工程陶瓷的高效、低损伤加工。但其不足之处在于,径向超声振动加工方式,严重加剧了刀具的磨损,预压应力也在一定程度上增加了刀具的磨损。
【关键词】：陶瓷 预压应力 超声振动 裂纹扩展 加工机理
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ174.6;TB559
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-20
• 1.1 研究背景及意义10-11
• 1.2 超声振动辅助加工的基本原理及结构类型11-13
• 1.2.1 超声振动辅助加工的基本原理11-12
• 1.2.2 超声振动辅助加工的结构类型及其特点12-13
• 1.3 工程陶瓷超声振动加工的研究现状13-17
• 1.3.1 国外研究现状13-15
• 1.3.2 国内研究现状15-17
• 1.4 预压应力加工的国内外研究现状17-18
• 1.5 本课题的来源及主要研究内容18-20
• 第2章 预应力下工程陶瓷超声振动加工机理研究20-30
• 2.1 引言20
• 2.2 预应力下超声振动加工的运动学分析20-22
• 2.2.1 刀具-工件的运动分析20-21
• 2.2.2 刀具的运动轨迹分析21-22
• 2.3 预应力下超声振动加工切削力与切削深度之间的关系22-26
• 2.3.1 预应力对工程陶瓷切削力的影响23-25
• 2.3.2 预应力下和超声振动共同作用下的切削力分析25-26
• 2.4 预应力下工程陶瓷超声振动加工去除率的数学模型26-28
• 2.4.1 塑性去除下的去除率数学模型26-27
• 2.4.2 脆性去除下的去除率数学模型27-28
• 2.5 本章小节28-30
• 第3章 超声变幅杆及压痕/划痕实验装置设计30-39
• 3.1 引言30
• 3.2 超声变幅杆的设计30-36
• 3.2.1 变幅杆的材料及其结构类型的选择30-31
• 3.2.2 基于波动理论的变幅杆的设计计算31
• 3.2.3 变幅杆的模态和谐响应分析31-35
• 3.2.4 变幅杆的制造与检测35-36
• 3.3 预应力超声振动压痕/划痕实验装置的设计36-38
• 3.4 本章小节38-39
• 第4章 预压应力下工程陶瓷超声振动压痕实验的研究39-48
• 4.1 引言39
• 4.2 实验条件及方案39-41
• 4.2.1 试件准备39-40
• 4.2.2 实验条件及方案40-41
• 4.3 压痕表面裂纹扩展的结果与分析41-45
• 4.3.1 材料性能对压痕裂纹扩展的影响41-42
• 4.3.2 预压应力对工程陶瓷压痕裂纹扩展的影响42-44
• 4.3.3 超声振动对压痕裂纹扩展的影响44
• 4.3.4 超声振动与预压应力共同作用下对压痕裂纹扩展的影响44-45
• 4.4 压痕法向载荷的结果与分析45-47
• 4.4.1 预压应力对法向载荷的影响45-46
• 4.4.2 预压应力和超声振动共同作用下对法向载荷的影响46-47
• 4.5 本章小结47-48
• 第5章 预压应力下工程陶瓷超声振动划痕实验的研究48-61
• 5.1 引言48
• 5.2 实验方案48-49
• 5.3 划痕表面裂纹扩展的结果与分析49-51
• 5.3.1 材料性能对划痕表面裂纹扩展的影响49
• 5.3.2 预压应力对划痕表面裂纹扩展的影响49-50
• 5.3.3 超声振动对划痕表面裂纹扩展的影响50
• 5.3.4 预压应力超声振动共同作用下对表面裂纹扩展的影响50-51
• 5.4 划痕亚表面裂纹扩展的结果与分析51-53
• 5.4.1 材料性能对划痕亚表面裂纹扩展的影响51-52
• 5.4.2 预应力对划痕亚表面裂纹扩展的影响52
• 5.4.3 预应力超声振动共同作用下对划痕亚表面裂纹扩展的影响52-53
• 5.5 划痕沟槽截面轮廓的分析53-55
• 5.5.1 普通划痕的沟槽截面轮廓53
• 5.5.2 超声振动划痕的沟槽截面轮廓53-54
• 5.5.3 沟槽的深度和宽度54-55
• 5.6 划痕切向力的结果与分析55-57
• 5.7 划痕振动信号的结果与分析57-59
• 5.8 本章小节59-61
• 第6章 预压应力下超声振动划痕压头磨损的实验研究61-69
• 6.1 引言61
• 6.2 超声振动对刀具磨损的影响61-63
• 6.2.1 实验方案61
• 6.2.2 压头磨损的形貌分析61-62
• 6.2.3 压头磨损过程中切削力的变化62-63
• 6.3 预压应力对刀具磨损的影响63-67
• 6.3.1 实验方案63-64
• 6.3.2 压头磨损的形貌分析64-65
• 6.3.3 压头磨损过程中切削力的变化65-66
• 6.3.4 压头磨损过程中的振动信号66-67
• 6.4 本章小节67-69
• 第7章 预压应力下工程陶瓷超声振动压痕/划痕的离散元模拟69-83
• 7.1 引言69
• 7.2 陶瓷的BPM模型及其参数校准69-70
• 7.2.1 Al_2O_3陶瓷的BPM模型的建立69-70
• 7.2.2 Al_2O_3陶瓷的参数校准70
• 7.3 模拟实验方案70-71
• 7.4 压痕离散元模拟的结果与分析71-76
• 7.4.1 压痕裂纹扩展71-73
• 7.4.2 压痕法向力73-74
• 7.4.3 压痕应力分布74-76
• 7.5 划痕离散元模拟的结果与分析76-82
• 7.5.1 划痕裂纹扩展76-79
• 7.5.2 划痕切向力79-80
• 7.5.3 划痕应力分布80-82
• 7.6 本章小节82-83
• 第8章 总结与展望83-86
• 8.1 全文总结83-84
• 8.2 研究展望84-86
• 参考文献86-93
• 致谢93-94
• 攻读硕士期间所发表的论文与参与的科研项目94
• 一、发表的论文94
• 二、参与的科研项目94

【相似文献】

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 姜胜强;预压应力下陶瓷材料的裂纹扩展及其加工机理研究[D];湘潭大学;2012年

中国硕士学位论文全文数据库 前3条

1 曾亿江;预压应力下工程陶瓷超声振动压痕和划痕实验研究[D];湘潭大学;2016年

2 裴亚晖;不同预压应力下的装配框架节点试验研究[D];华北理工大学;2016年

3 张文博;SiC陶瓷双向预压应力磨削机理研究[D];湘潭大学;2015年

  本文关键词：预压应力下工程陶瓷超声振动压痕和划痕实验研究，，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：461650