RB-SiC旋转超声磨削亚表面损伤研究

发布时间：2020-09-30 02:19

　　随着空间光学技术的发展,对大口径空间反射镜的需求日益增大,但口径增大会导致镜体重量大幅度增加,因此需要对镜体进行轻量化设计与制造。反应烧结碳化硅(Reaction Bonded Silicon Carbide,RB-SiC)具有比刚度大、减重效果好等优良特性,是目前制备大口径空间反射镜的首选材料。但RB-SiC是典型的硬脆陶瓷材料,机械加工过程中易产生亚表面损伤。旋转超声磨削技术是一种将传统固结磨料磨削加工与超声加工相结合的复合加工技术,在硬脆材料加工领域被公认为是一种经济有效的加工技术。本文利用课题组自行装配的超声振动数控机床进行RB-SiC旋转超声磨削试验与普通磨削试验,以亚表面损伤为对象,对亚表面损伤检测方法、超声振动效应、各加工参数影响规律进行了研究,并归纳分析了RB-SiC旋转超声磨削亚表面损伤特征。本文的主要研究内容与结论如下:(1)采用硅片作陪衬的截面抛光法、聚酯作陪衬的截面抛光法和界面粘接法检测相同加工条件下RB-SiC旋转超声磨削亚表面损伤,并选用四个亚表面损伤评价指标对各方法的检测结果进行统计分析,以确定最优检测方法。试验结果表明,采用硅片作陪衬的截面抛光法检测到的四个亚表面损伤评价指标值均最小,则截面抛光法(硅片作陪衬)在检测过程中引入的二次损伤最小,其检测结果最接近真实的亚表面损伤情况。(2)通过旋转超声单因素试验及相应普通磨削试验,研究了超声振动有无与强弱对亚表面损伤的影响。试验结果表明,一定加工条件下,超声振动的引入可有效降低亚表面损伤;亚表面损伤随超声振动的增强先减小后增大。同时,基于压痕断裂力学模型,综合考虑磨粒的运动学和动力学特性,对试验结果进行了理论分析,进一步探究了超声振动效应。(3)通过七因素三水平的RB-SiC旋转超声磨削正交试验,系统研究了各加工参数对亚表面损伤深度的影响规律。试验结果表明:进给速度、磨粒粒度、磨削深度、超声功率、主轴转速、超声频率和磨粒浓度对亚表面损伤深度的影响程度依次降低;亚表面损伤深度与磨削深度、进给速度、超声功率和磨粒粒度呈正相关,与主轴转速呈负相关;亚表面损伤深度随超声频率增大先减小后增大;磨粒浓度对RB-SiC旋转超声磨削亚表面损伤影响较小。(4)通过对RB-SiC旋转超声磨削亚表面损伤特征进行归纳与分析,获得如下结论:(1)材料以脆性断裂去除为主;(2)裂纹倾向于沿着颗粒边界扩展,同时颗粒边界具有屏蔽裂纹延伸的作用;(3)在大粒度SiC颗粒上,材料的去除是较大的横向裂纹向自由表面延伸或裂纹之间的交叉所致,在小粒度SiC颗粒与单质游离硅组成的混合区上,材料的去除是由许多微小横向裂纹的交叉或延伸到自由表面所造成;(4)对材料有重要影响的亚表面损伤,如大型凹坑和较深的中位裂纹,主要存在于大粒度SiC颗粒上。综上,为减小RB-SiC材料磨削加工带来的损伤,不仅要选择合理的加工方法和加工参数,还应在材料制备时尽量细化SiC颗粒。
【学位单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TH74
【部分图文】：

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面形和平面度精度无法满足要求[18]。此外，在大口径反射镜的镀体中由加工引发的残余应力释放，导致镜体变形，影响成像系强度[19]。因此，亚表面损伤会极大影响光学元件的使用寿命与各削加工后需继续进行研磨抛光以去除亚表面损伤，这势必会延成本。声磨削[20-22]是一种将超声加工和传统磨削加工结合在一起的加，加工工具随机床主轴做高速转动，同时沿主轴轴向做高频振头上的磨粒以一种新的高频运动方式对材料进行去除。针对碳旋转超声磨削取得了良好的加工效果，相比普通磨削方式，旋减小磨削力和工具磨损[23-25]。为有效降低 RB-SiC 磨削过程中产将进行 RB-SiC 旋转超声磨削亚表面损伤研究，这对镜体轻量化缩短及加工成本的降低有着重要意义。

超声振动系统

验设备究的磨削试验在自主装配的超声振动数控加工中心上进行，将超声式数控加工中心上，使超声振动系统依托数控加工中心对加工工件。振动系统如图 2-1 所示，系统由超声电源、换能器、变幅杆和加工工超声电源、换能器及变幅杆由天津思达机械设备制造有限公司生产工作原理为：超声电源将交流电转换为超声高频振荡电压，通过换电压转变为超声机械振动，而后经变幅杆放大使小振幅的机械振动转超声加工的大振幅机械振动，加工工具随变幅杆做高频振动，最工件的旋转超声加工。

超声电源,高频振荡电压,机械振动,换能器

图 2-2 超声电源超声电源产生的超声高频振荡电压转化为超声机械振部件，其特性参数对整个超声系统的性能起到决定性器转化后所能产生的机械振动幅度较小，无法应用于大振动振幅及提高机械品质因数。换能器与变幅杆集成压通过刀柄上的磁性材料无线传输至超声换能器。采用固定在刀柄上。具有高硬度、高脆性的特点，一般采用金刚石砂轮对其验中使用的加工工具是郑州三磨所生产的金属基金刚径为 6mm，图 2-3 为金刚石砂轮实物图。

【参考文献】