本文關鍵詞：預壓應力下工程陶瓷超聲振動壓痕和劃痕實驗研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：工程陶瓷由于具有高強度、抗腐蝕、耐熱、耐磨損等優(yōu)越的性能,在航空航天、機械、汽車、電子等領域中得到了廣泛的應用。隨著工業(yè)技術的進步,陶瓷零部件的加工也不斷向高效率、超精密等方向發(fā)展。然而,由于陶瓷材料本身的高硬度和高脆性,采用傳統(tǒng)的磨削加工難以避免產(chǎn)生加工損傷,如表面/亞表面裂紋,粉末化層、殘余應力等,這將影響材料表面的性能,降低材料的強度,甚至導致陶瓷零部件的提前失效。此外,磨削加工效率低,其成本達到了整個加工成本的90%以上。因此,如何實現(xiàn)工程陶瓷高效、低損傷加工一直是研究的重要課題。本文提出了一種工程陶瓷的預壓應力下超聲振動的加工方法。主要研究工作內容如下:基于壓痕斷裂力學和陶瓷材料斷裂力學理論,對預壓應力下工程陶瓷超聲振動加工機理進行了理論分析。建立了預壓應力下超聲振動加工切削力與切削深度之間數(shù)學關系,以及在塑性和脆性去除下材料去除率的數(shù)學模型。搭建了預壓應力超聲振動壓痕/劃痕實驗裝置。重點對超聲變幅桿進行了設計,首先采用波動理論確定超聲變幅桿特征參數(shù)的解析值,進而采用有限元ANSYS軟件中進行驗證,優(yōu)化,最后對變幅桿進行制造和調試。進行了預壓應力下工程陶瓷超聲振動壓痕和劃痕實驗的研究。分別觀察和分析預壓應力,超聲振動,預壓應力和超聲振動共同作用對工程陶瓷表面和亞表面裂紋擴展,劃痕溝槽的寬度和深度、壓痕法向載荷、劃痕切削力、振動信號的影響等。進行了預壓應力下超聲振動劃痕壓頭磨損實驗的研究。從壓頭的磨損形貌、切削力、振動信號三個方面闡述了超聲振動、預壓應力對壓頭磨損的影響。基于Matlab小波變換對加工工件的表面質量及壓頭磨損規(guī)律進行了分析。采用離散元軟件PFC~(2D)對預壓應力下工程陶瓷超聲振動壓痕和劃痕進行了離散元模擬。研究了預壓應力,超聲振動,預壓應力和超聲振動共同作用下對工程陶瓷壓/劃痕的裂紋擴展,以及壓痕法向力,劃痕切削力,應力的影響等。從本文理論分析、實驗研究和數(shù)值模擬三個角度所得出的研究結果可以看出,預壓應力下工程陶瓷超聲振動加工能有效地增大材料的去除率,減小切削力,同時抑制了加工過程中表面/亞表面裂紋的擴展,從而減少了加工損傷,改善了材料的表面質量,實現(xiàn)了工程陶瓷的高效、低損傷加工。但其不足之處在于,徑向超聲振動加工方式,嚴重加劇了刀具的磨損,預壓應力也在一定程度上增加了刀具的磨損。
【關鍵詞】：陶瓷 預壓應力 超聲振動 裂紋擴展 加工機理
【學位授予單位】：湘潭大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TQ174.6;TB559
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 緒論10-20
• 1.1 研究背景及意義10-11
• 1.2 超聲振動輔助加工的基本原理及結構類型11-13
• 1.2.1 超聲振動輔助加工的基本原理11-12
• 1.2.2 超聲振動輔助加工的結構類型及其特點12-13
• 1.3 工程陶瓷超聲振動加工的研究現(xiàn)狀13-17
• 1.3.1 國外研究現(xiàn)狀13-15
• 1.3.2 國內研究現(xiàn)狀15-17
• 1.4 預壓應力加工的國內外研究現(xiàn)狀17-18
• 1.5 本課題的來源及主要研究內容18-20
• 第2章 預應力下工程陶瓷超聲振動加工機理研究20-30
• 2.1 引言20
• 2.2 預應力下超聲振動加工的運動學分析20-22
• 2.2.1 刀具-工件的運動分析20-21
• 2.2.2 刀具的運動軌跡分析21-22
• 2.3 預應力下超聲振動加工切削力與切削深度之間的關系22-26
• 2.3.1 預應力對工程陶瓷切削力的影響23-25
• 2.3.2 預應力下和超聲振動共同作用下的切削力分析25-26
• 2.4 預應力下工程陶瓷超聲振動加工去除率的數(shù)學模型26-28
• 2.4.1 塑性去除下的去除率數(shù)學模型26-27
• 2.4.2 脆性去除下的去除率數(shù)學模型27-28
• 2.5 本章小節(jié)28-30
• 第3章 超聲變幅桿及壓痕/劃痕實驗裝置設計30-39
• 3.1 引言30
• 3.2 超聲變幅桿的設計30-36
• 3.2.1 變幅桿的材料及其結構類型的選擇30-31
• 3.2.2 基于波動理論的變幅桿的設計計算31
• 3.2.3 變幅桿的模態(tài)和諧響應分析31-35
• 3.2.4 變幅桿的制造與檢測35-36
• 3.3 預應力超聲振動壓痕/劃痕實驗裝置的設計36-38
• 3.4 本章小節(jié)38-39
• 第4章 預壓應力下工程陶瓷超聲振動壓痕實驗的研究39-48
• 4.1 引言39
• 4.2 實驗條件及方案39-41
• 4.2.1 試件準備39-40
• 4.2.2 實驗條件及方案40-41
• 4.3 壓痕表面裂紋擴展的結果與分析41-45
• 4.3.1 材料性能對壓痕裂紋擴展的影響41-42
• 4.3.2 預壓應力對工程陶瓷壓痕裂紋擴展的影響42-44
• 4.3.3 超聲振動對壓痕裂紋擴展的影響44
• 4.3.4 超聲振動與預壓應力共同作用下對壓痕裂紋擴展的影響44-45
• 4.4 壓痕法向載荷的結果與分析45-47
• 4.4.1 預壓應力對法向載荷的影響45-46
• 4.4.2 預壓應力和超聲振動共同作用下對法向載荷的影響46-47
• 4.5 本章小結47-48
• 第5章 預壓應力下工程陶瓷超聲振動劃痕實驗的研究48-61
• 5.1 引言48
• 5.2 實驗方案48-49
• 5.3 劃痕表面裂紋擴展的結果與分析49-51
• 5.3.1 材料性能對劃痕表面裂紋擴展的影響49
• 5.3.2 預壓應力對劃痕表面裂紋擴展的影響49-50
• 5.3.3 超聲振動對劃痕表面裂紋擴展的影響50
• 5.3.4 預壓應力超聲振動共同作用下對表面裂紋擴展的影響50-51
• 5.4 劃痕亞表面裂紋擴展的結果與分析51-53
• 5.4.1 材料性能對劃痕亞表面裂紋擴展的影響51-52
• 5.4.2 預應力對劃痕亞表面裂紋擴展的影響52
• 5.4.3 預應力超聲振動共同作用下對劃痕亞表面裂紋擴展的影響52-53
• 5.5 劃痕溝槽截面輪廓的分析53-55
• 5.5.1 普通劃痕的溝槽截面輪廓53
• 5.5.2 超聲振動劃痕的溝槽截面輪廓53-54
• 5.5.3 溝槽的深度和寬度54-55
• 5.6 劃痕切向力的結果與分析55-57
• 5.7 劃痕振動信號的結果與分析57-59
• 5.8 本章小節(jié)59-61
• 第6章 預壓應力下超聲振動劃痕壓頭磨損的實驗研究61-69
• 6.1 引言61
• 6.2 超聲振動對刀具磨損的影響61-63
• 6.2.1 實驗方案61
• 6.2.2 壓頭磨損的形貌分析61-62
• 6.2.3 壓頭磨損過程中切削力的變化62-63
• 6.3 預壓應力對刀具磨損的影響63-67
• 6.3.1 實驗方案63-64
• 6.3.2 壓頭磨損的形貌分析64-65
• 6.3.3 壓頭磨損過程中切削力的變化65-66
• 6.3.4 壓頭磨損過程中的振動信號66-67
• 6.4 本章小節(jié)67-69
• 第7章 預壓應力下工程陶瓷超聲振動壓痕/劃痕的離散元模擬69-83
• 7.1 引言69
• 7.2 陶瓷的BPM模型及其參數(shù)校準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陶瓷的參數(shù)校準70
• 7.3 模擬實驗方案70-71
• 7.4 壓痕離散元模擬的結果與分析71-76
• 7.4.1 壓痕裂紋擴展71-73
• 7.4.2 壓痕法向力73-74
• 7.4.3 壓痕應力分布74-76
• 7.5 劃痕離散元模擬的結果與分析76-82
• 7.5.1 劃痕裂紋擴展76-79
• 7.5.2 劃痕切向力79-80
• 7.5.3 劃痕應力分布80-82
• 7.6 本章小節(jié)82-83
• 第8章 總結與展望83-86
• 8.1 全文總結83-84
• 8.2 研究展望84-86
• 參考文獻86-93
• 致謝93-94
• 攻讀碩士期間所發(fā)表的論文與參與的科研項目94
• 一、發(fā)表的論文94
• 二、參與的科研項目94

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  本文關鍵詞：預壓應力下工程陶瓷超聲振動壓痕和劃痕實驗研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：461650