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工程陶瓷磨削损伤建模与数值模拟研究进展

兵器材料科学与工程 2016年第4期39卷 117-124页

作者：万林林刘志坚邓朝晖刘伟湖南科技大学难加工材料高效精密加工湖南省重点实验室湖南湘潭411201

针对工程陶瓷磨削损伤现象,探讨材料去除与损伤机理,综述国内外基于断裂力学和损伤力学的损伤建模技术在工程陶瓷磨削损伤领域的研究进展。对单颗磨粒建模和砂轮三维形貌建模方法进行总结讨论,在此基础上介绍数值模拟技术在工程陶瓷磨... 详细信息

针对工程陶瓷磨削损伤现象,探讨材料去除与损伤机理,综述国内外基于断裂力学和损伤力学的损伤建模技术在工程陶瓷磨削损伤领域的研究进展。对单颗磨粒建模和砂轮三维形貌建模方法进行总结讨论,在此基础上介绍数值模拟技术在工程陶瓷磨削损伤研究中的应用现状。指出基于细观损伤力学,实现针对力热耦合作用下工程陶瓷磨削损伤的数值模拟,最后就这一方向的深入研究工作做展望。

关键词：工程陶瓷磨削损伤细观力学建模数值模拟

力热耦合作用下氧化锆陶瓷精密磨削损伤仿真与实验研究

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力热耦合作用下氧化锆陶瓷精密磨削损伤仿真与实验研究

作者：邓泽辉湖南科技大学

学位级别：硕士

工程陶瓷材料以其高强度、高硬度、耐磨、耐高温、耐化学腐蚀以及与钢材料相比的低密度和增韧改性等优良性能,在航空、航天、军事、汽车、运输、民用甚至电子产品等重要领域得到广泛的应用。目前,工程陶瓷材料主要是采用超硬精细磨料来... 详细信息

工程陶瓷材料以其高强度、高硬度、耐磨、耐高温、耐化学腐蚀以及与钢材料相比的低密度和增韧改性等优良性能,在航空、航天、军事、汽车、运输、民用甚至电子产品等重要领域得到广泛的应用。目前,工程陶瓷材料主要是采用超硬精细磨料来对其进行精密的磨削加工。由于其硬脆特性,磨削加工时易产生裂纹、凹坑和损伤层等加工表面/亚表面损伤,造成零部件使用性能和使用寿命的下降。因此,本文以氧化锆陶瓷为研究对象,开展氧化锆陶瓷动态力学性能研究。结合氧化锆陶瓷动态力学性能,综合考虑力热耦合效应进行磨削仿真,分析力热耦合作用对磨削损伤的影响以及工艺参数对磨削损伤的影响规律。通过实验验证仿真结果,并研究氧化锆陶瓷精密磨削去除机理和损伤机理,为提高磨削加工质量提供指导。本文具体研究工作内容包括:首先,基于SHPB原理和脆性材料特性改进实验装置,开展氧化锆陶瓷动态力学性能研究,分析一维冲击载荷下氧化锆陶瓷的力学性能。基于损伤力学基本理论并结合弹脆性损伤模型对损伤变量进行定义,建立一维冲击载荷下氧化锆陶瓷弹脆性损伤本构模型,并根据SHPB实验结果确定弹脆性损伤本构关系。其次,基于砂轮表面形貌检测,采用与实际磨粒相似的截角八面体来模拟磨粒的形状,建立磨粒位置与姿态都随机分布的局部砂轮仿真模型。结合氧化锆陶瓷的动态力学性能和真实应力应变曲线,自定义工件材料本构模型。综合考虑磨削加工中的力热耦合效应进行仿真,模拟力热耦合作用下氧化锆陶瓷精密磨削过程,研究工艺参数对磨削损伤的影响规律。通过对比单一力作用下的损伤深度和力热耦合作用下的损伤深度,探讨力和温度的耦合效应对磨削损伤的影响。最后,开展平面磨削实验和损伤检测实验,对磨削力、磨削温度、工件表面形貌和工件亚表面损伤深度进行检测和分析,并把实验结果与仿真结果进行对比,验证仿真的正确性。基于工件表面形貌和工件亚表面损伤检测,分析氧化锆陶瓷材料的去除机理和损伤机理。

关键词：氧化锆陶瓷 SHPB 磨削损伤砂轮表面形貌有限元仿真力热耦合

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氮化硅陶瓷球面精密磨削损伤研究

氮化硅陶瓷球面精密磨削损伤研究

作者：李声超湖南大学

学位级别：硕士

氮化硅陶瓷材料因其优异的机械、热学等性能而被广泛应用于各个工业领域。目前，对氮化硅陶瓷材料的超精密加工主要是通过超硬精细磨料的精密磨削及研磨来实现，但是由于磨削过程中磨削抗力较大，零件表面易于产生磨削损伤。磨削损伤对... 详细信息

氮化硅陶瓷材料因其优异的机械、热学等性能而被广泛应用于各个工业领域。目前，对氮化硅陶瓷材料的超精密加工主要是通过超硬精细磨料的精密磨削及研磨来实现，但是由于磨削过程中磨削抗力较大，零件表面易于产生磨削损伤。磨削损伤对零件的使用性能会产生较大的影响，例如降低工件的断裂强度及疲劳强度等。因此为了控制磨削损伤的产生和扩展，有必要基于材料特性、砂轮特性及工艺参数建立一个预测模型。本文主要对国内外在陶瓷磨削后的损伤问题所作的研究成果进行了总结、分析和讨论，对氮化硅陶瓷球面精密磨削后的磨削损伤进行了理论研究和实验。目前，对陶瓷材料的磨削损伤问题主要是从理论研究、数值模拟和实验等三个方面进行研究。本文定义氮化硅陶瓷材料表面破碎率Ds为磨削表面损伤的的损伤指标，表面/亚表面裂纹损伤深度为磨削表面/亚表面裂纹损伤的损伤指标，并基于压痕断裂力学模型确定了磨削表面破碎率损伤模型及磨削表面/亚表面裂纹损伤数学模型。本文在高精度数控坐标磨床MK2945C上进行了氮化硅陶瓷球面的高精密数控磨削实验。利用倒置金相显微镜观察磨削后的表面，通过Matlab软件的数字图像处理模块进行磨削表面破碎损伤实验，获得不同磨削工艺参数下的磨削表面破碎率值。利用Nanopoli-100型纳米抛光机对氮化硅陶瓷球面进行磨削表面/亚表面裂纹损伤实验，在角度抛光法基础上设计了圆形截面研抛法，获得了不同磨削工艺参数下的磨削表面/亚表面裂纹深度值。对氮化硅陶瓷球面磨削损伤实验的结果进行了分析，分析了不同磨削参数对磨削损伤的影响。通过SAS软件对实验结果的回归分析，确定了磨削损伤模型中的参数，并通过实验验证了模型的可靠性。通过运用这两个模型，根据磨削参数可以预测和控制表面破碎损伤和表面/亚表面裂纹损伤，提出高效经济的陶瓷材料的球面磨削工艺参数，从而优化氮化硅陶瓷球面磨削过程，提高生产率，减小加工损伤和降低加工成本。

关键词：氮化硅陶瓷球面磨削磨削损伤数学模型圆形截面研抛

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兼顾工件强度和磨削损伤的陶瓷材料磨削

磨料磨具通讯 2002年第8期 1-6页

作者：耿直郑州磨料磨具磨削研究所

通过磨削试验研究得出了保证被磨工件的强度和陶瓷工件上由于磨削引起的损伤深度的方法。研究了金刚石砂轮的粒度和砂轮磨削深度，工件速度，磨削速度等加工参数。研究的陶瓷材料包括热压氮化硅，反应烧结的氮化硅，氧化铝及碳化硅陶瓷... 详细信息

通过磨削试验研究得出了保证被磨工件的强度和陶瓷工件上由于磨削引起的损伤深度的方法。研究了金刚石砂轮的粒度和砂轮磨削深度，工件速度，磨削速度等加工参数。研究的陶瓷材料包括热压氮化硅，反应烧结的氮化硅，氧化铝及碳化硅陶瓷，研究结果提供了达到最高的工件磨后强度和实用的损伤深度的结果，用来极小化磨削时间。

关键词：工件强度磨削损伤陶瓷材料磨削

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兼顾工件强度和磨削损伤的陶瓷材料磨削

磨料磨具通讯 2002年第9期 3-7页

作者：耿直郑州磨料磨具磨削研究所

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工程陶瓷高效深磨磨削力和损伤的研究

湖南大学学报（自然科学版） 2008年第5期35卷 26-30页

作者：谢桂芝黄含盛晓敏宓海青湖南大学国家高效磨削工程技术研究中心湖南长沙410082

采用树脂结合剂金刚石砂轮,对氧化铝和氧化锆等2种工程陶瓷进行高效深磨磨削加工.测量了磨削力,并对磨削表面形貌和亚表面损伤进行了观测.揭示了这2种工程陶瓷的高效深磨材料去除机理,氧化铝陶瓷主要为脆性去除,而氧化锆则是局部的横向... 详细信息

采用树脂结合剂金刚石砂轮,对氧化铝和氧化锆等2种工程陶瓷进行高效深磨磨削加工.测量了磨削力,并对磨削表面形貌和亚表面损伤进行了观测.揭示了这2种工程陶瓷的高效深磨材料去除机理,氧化铝陶瓷主要为脆性去除,而氧化锆则是局部的横向裂纹和塑性去除.提出了磨粒的平均磨削力公式,讨论了磨粒的平均法向磨削力对陶瓷材料去除机理和磨削损伤的影响.

关键词：高效深磨工程陶瓷磨削力磨削损伤磨削机理

纳米陶瓷超声振动磨削表面/亚表面损伤机理研究

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纳米陶瓷超声振动磨削表面/亚表面损伤机理研究

作者：孔令志河南理工大学

学位级别：硕士

由于陶瓷材料具有机械强度高、耐磨、耐热、耐腐蚀、不导电、化学稳定性好等优良特性,使其在航天航空、化工等领域有着十分广阔的应用前景。磨削作为硬脆材料常用的加工手段被广泛应用于陶瓷材料的精加工之中。但传统的磨削方式加工效率... 详细信息

由于陶瓷材料具有机械强度高、耐磨、耐热、耐腐蚀、不导电、化学稳定性好等优良特性,使其在航天航空、化工等领域有着十分广阔的应用前景。磨削作为硬脆材料常用的加工手段被广泛应用于陶瓷材料的精加工之中。但传统的磨削方式加工效率低,加工成本高,且表面质量较差。超声振动磨削技术的引入大大提高了陶瓷材料的加工效率,降低了加工成本。由于陶瓷材料的高硬度和高脆性,其在加工过程中表面易留下加工损伤,如表面/亚表面裂纹、表面破碎、表面粉碎以及残余应力等,上述加工损伤的存在将严重影响陶瓷工件的疲劳寿命及使用安全。为此本文从陶瓷材料磨削的表面完整性、表面/亚表面裂纹的成核及其扩展过程和表面残余应力等方面对超声振动磨削陶瓷表面/亚表面损伤机理进行了深入研究。从微观角度揭示了超声振动对陶瓷材料表面/亚表面损伤的形成机理,为陶瓷材料的高效、精密无损加工提供理论依据。本文主要研究内容如下:1.分析了陶瓷材料的去除机理,并对超声磨削陶瓷表面损伤进行了实验研究。研究表明超声振动磨削可以在较大切深范围内实现材料的塑性域磨削,从而可以在提高加工效率的同时有效降低工件的磨削损伤。而普通磨削则在较小磨削深度时就已经出现表面破碎等表面损伤。2.根据压痕断裂力学相关理论分析了超声磨削应力场,并在此基础上对超声振动磨削时裂纹成核及扩展机理做了详细讨论。分析表明超声磨削过程中磨削应力场是一个高频交变应力场,该交变应力场将加速材料的疲劳断裂,同时该交变应力场将促使裂纹向自由表面扩展,从而阻止裂纹向工件内部扩展,降低亚表面裂纹损伤。3.分析了超声振动磨削表面残余应力的形成机理。由于超声振磨削较普通磨削具有更大切深范围的延性域,所以超声磨削时材料更易于以塑性去除方式去除,而塑性去除将会使工件表面形成残余压应力。而普通磨削多以脆性方式去除,表面易形成破碎,材料的破碎去除将释放掉部分表面残余应力。故相同磨削条件下,超声磨削表面残余压应力要大于普通磨削。实验表明两种磨削方式下磨削表面皆为残余压应力。

关键词：纳米复相陶瓷超声振动磨削表面质量磨削损伤表面/亚表面裂纹表面/亚表面损伤

2D-C/SiC高速深磨磨削特性及去除机制

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复合材料学报 2012年第4期29卷 113-118页

作者：刘杰李海滨张小彦洪智亮何宗倍张毅刘小瀛西北工业大学现代设计与集成制造技术教育部重点实验室西安710072 西安鑫垚陶瓷复合材料有限公司西安710089 西北工业大学超高温结构复合材料科技重点实验室西安710072

采用树脂结合剂金刚石砂轮,通过对2D-C/SiC复合材料高速深磨磨削加工,并对磨削表面形貌和亚表面损伤进行了观察。提出了2D-C/SiC摩擦层(表面)的磨削力理论公式,讨论了磨削加工用量对磨削力和磨削力比的影响。实验结果表明,2D-C/SiC复合... 详细信息

采用树脂结合剂金刚石砂轮,通过对2D-C/SiC复合材料高速深磨磨削加工,并对磨削表面形貌和亚表面损伤进行了观察。提出了2D-C/SiC摩擦层(表面)的磨削力理论公式,讨论了磨削加工用量对磨削力和磨削力比的影响。实验结果表明,2D-C/SiC复合材料的高速深磨材料去除机制与其自身的微观结构相关,既不同于塑性材料,也不同于普通脆性材料,而是以脆性断裂去除为主。

关键词：高速深磨 C/SiC 磨削力磨削损伤去除机制

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氮化硅陶瓷精密磨削仿真与实验研究

氮化硅陶瓷精密磨削仿真与实验研究

作者：刘志坚湖南科技大学

学位级别：硕士

工程陶瓷材料以其高强度、高硬度、耐磨、耐高温、耐化学腐蚀等优良性能,在航空航天、国防军工和现代医学等重要领域得到广泛的应用。为了达到高质、高效、低成本等要求,目前在工程陶瓷的加工方法中最为成熟、实用,且应用最为广泛的仍... 详细信息

工程陶瓷材料以其高强度、高硬度、耐磨、耐高温、耐化学腐蚀等优良性能,在航空航天、国防军工和现代医学等重要领域得到广泛的应用。为了达到高质、高效、低成本等要求,目前在工程陶瓷的加工方法中最为成熟、实用,且应用最为广泛的仍是采用超硬金刚石磨料磨具进行磨削加工。磨削加工可视为大量离散分布在砂轮表面的磨粒同时与被加工材料相互作用实现材料去除的过程,而每一个磨粒都存在很多的磨刃,在一定程度上类似于刀具的切削加工,即每一个磨粒都可视为若干车刀的组合。但是磨削加工又比车削复杂很多,因为参与磨削的磨粒数量多,磨粒切削刃形状、尺寸、位置的随机多样性以及磨削工艺参数等多种因素相互影响,使得研究磨削加工材料去除机理异常困难。为深入探讨磨削加工机理,可以从单颗磨粒切削加工研究出发,将单颗磨粒切削结果在磨削加工区域进行有效集成,进而解释磨削加工过程中的各种物理现象,因此单颗磨粒切削加工的机理研究成为认识复杂磨削加工机理的一种重要手段。本文以氮化硅陶瓷精密磨削加工为研究对象,在对砂轮表面磨粒形貌和氮化硅工件表面、亚表面形貌进行检测分析的基础上,建立截角多面体单颗磨粒虚拟模型和含有典型裂纹的工件模型进行单颗磨粒切削仿真,并通过切削实验对仿真结果进行验证。同时根据单颗磨粒模型建立虚拟砂轮模型,基于第一应力理论进行磨削损伤仿真,提出一种基于光照强度的损伤检测方法并对损伤深度进行测量,最后通过实验对仿真结果进行验证、对损伤预测模型进行回归分析和验证。具体研究工作内容包括:1)根据单颗磨粒实际尺寸范围和形状,通过球坐标系对其尺寸进行限制后,运用随机点产生的空间平面再去切分实体和截角多面体相结合的方法建立了截角多面体虚拟磨粒(截面以三到六边形为主)。建立包含Ⅰ型(张开型)和Ⅱ型(滑开型)典型裂纹的工件模型,然后进行单颗磨粒切削仿真,基于第一强度理论对材料去除过程展开分析,并在数控平面磨床上进行单颗磨粒切削加工实验,对仿真模型进行验证。2)基于单颗磨粒切削氮化硅陶瓷的加工路径规划及未变形切屑厚度计算模型,建立各加工参数与表面残留高度之间的数学模型。通过单颗磨粒切削氮化硅陶瓷加工实验,研究加工参数对表面残留高度的影响并以降低残留高度为目标对加工参数进行优化,同时分析了材料去除方式与残留高度的关系。并将优化结果引入到磨削加工中并通过磨削实验对优化结果进行验证。3)结合实验中加工参数与切削力之间的关系,建立各个加工参数与力之间的拟合函数关系式,并根据拟合函数的斜率大小得出在本文设定的加工范围中,进给量对切削力的影响程度最大,工件速度对切削力影响程度最小。在对加工参数与切削力的拟合函数进行无量纲处理的基础上,结合切削力与加工质量成负相关关系这一规律,以切削力为因变量对加工参数的选择范围进行优化,并通过单颗磨粒实验对优化结果进行验证。4)基于金刚石砂轮磨削加工理论基础和砂轮表面形貌建模,以截角多面体磨粒为基础建立优化的局部砂轮仿真模型,并根据第一强度理论对磨削加工亚表面损伤深度进行仿真研究。通过使用角度抛光法对实验工件亚表面损伤深度进行测量后,对损伤预测模型进行回归分析和验证,并根据不同材料和同一材料不同损伤状况对光的反射程度不同,提出一种通过寻找最佳光照强度的新的损伤测量方法对损伤深度进行测量,最后再结合实验结果对加工参数与损伤深度的影响规律展开分析。

关键词：氮化硅陶瓷单颗磨粒切削表面残留高度磨削损伤工艺参数优化有限元仿真