硬脆材料旋轉(zhuǎn)超聲加工高頻振動效應(yīng)的研究.pdf

1、黑腔作為微靶裝配體的核心部件，其制備質(zhì)量是影響激光約束核聚變（Inertial confinement fusion，簡稱ICF）中點火能否成功的關(guān)鍵因素。而玻璃材料芯軸的加工作為黑腔制備過程的核心環(huán)節(jié)，其表面粗糙度和形狀精度直接決定了黑腔的能量轉(zhuǎn)化率以及靶丸的能量增益。由于硬脆材料微型精密靶結(jié)構(gòu)件的尺寸非常小，承載能力較低，對亞表層裂紋異常敏感，導(dǎo)致其在加工過程中容易發(fā)生脆性斷裂，這給微結(jié)構(gòu)件的旋轉(zhuǎn)超聲加工（RUM）提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。<

2、br>　　利用微型刀具對脆性材料靶結(jié)構(gòu)件進(jìn)行旋轉(zhuǎn)超聲加工時，由于參與切削的磨粒數(shù)目有限，單個磨粒所承受的載荷較大，刀具磨粒容易脫落，往往使工件難以達(dá)到預(yù)期的表面粗糙度和形狀精度。因此，本文根據(jù)微型靶結(jié)構(gòu)件加工的實際需要，分析了旋轉(zhuǎn)超聲加工中磨粒的獨特動力學(xué)特性，并對材料去除機(jī)理、表面形成過程、亞表層損傷特征、切削力和刀具磨損進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究，以便為靶結(jié)構(gòu)件加工提供可靠的技術(shù)支持和保證。具體研究工作包括如下幾個方面：
　　分析了

3、旋轉(zhuǎn)超聲加工表面的微觀形貌，發(fā)現(xiàn)材料粉末化是除了脆性斷裂、塑性變形以外的另一種主要材料去除機(jī)理。對旋轉(zhuǎn)超聲刻劃表面損傷特征進(jìn)行了動態(tài)斷裂力學(xué)理論分析，提出初始裂紋是材料粉末化形成的初期階段，磨粒的慣性力以及材料慣性力效應(yīng)是導(dǎo)致初始裂紋成核的主要原因。在對磨粒動力學(xué)特性進(jìn)行系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，定義了評價超聲振動強弱的無量綱的超聲強度特征參數(shù)K，實現(xiàn)了對高頻振動效應(yīng)的定量表征。另外，系統(tǒng)分析了高頻振動效應(yīng)對磨粒的慣性力、工作角度以及材料動態(tài)斷

4、裂力學(xué)性能的影響，提出了適用于旋轉(zhuǎn)超聲加工的表面形成過程新模型。
　　借助于截面顯微法分析了高頻振動對亞表層裂紋構(gòu)型的影響，發(fā)現(xiàn)粉末層由微米/亞微米級碎片堆積而成，且僅僅覆蓋于加工表面，并未擴(kuò)展至材料內(nèi)部?；诖嘈圆牧系臄嗔褎恿W(xué)理論，分析了粉末化的形成機(jī)理，提出超聲振動的疊加增大了材料的應(yīng)力強度因子，降低了材料的動態(tài)斷裂韌性，最終導(dǎo)致粉末化的形成。另外，當(dāng)磨粒運動至其軌跡最低點時，磨粒切削深度的增加導(dǎo)致側(cè)向裂紋和中位裂紋擴(kuò)展深度

5、增長，這是導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)超聲加工亞表層損傷深度增加的根本原因。
　　利用光滑質(zhì)點流體動力學(xué)法（SPH）實現(xiàn)了對磨粒沖擊工件表面過程的數(shù)值仿真，提出了一種能夠模擬脆性材料內(nèi)部裂紋形成及擴(kuò)展過程的新方法。基于壓痕斷裂力學(xué)理論，研究了中位裂紋與和側(cè)向裂紋之間的內(nèi)在關(guān)系，綜合考慮彈性應(yīng)力場和塑形應(yīng)力場對中位裂紋和側(cè)向裂紋擴(kuò)展深度的影響，建立了工件表面粗糙度與亞表層裂紋擴(kuò)展深度之間的非線性關(guān)系模型，實現(xiàn)了對亞表層損傷深度的有效預(yù)測。
　　在

6、對磨粒動力學(xué)特性進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，基于脆性材料的動態(tài)壓痕斷裂力學(xué)理論，提出了磨粒加載過程中材料應(yīng)變率的計算公式，實現(xiàn)了對旋轉(zhuǎn)超聲加工中材料應(yīng)變率的定量描述。在綜合考慮應(yīng)變率效應(yīng)對磨粒-工件相互作用過程影響的基礎(chǔ)上，提出了旋轉(zhuǎn)超聲加工過程中脆性材料的脆-塑轉(zhuǎn)變臨界條件。通過在初始裂紋中心位置進(jìn)行壓痕實驗，發(fā)現(xiàn)初始裂紋的成核對于切削力具有良好的屏蔽效應(yīng)，且初始裂紋相對疏松的結(jié)構(gòu)特點使其易于向前擴(kuò)展，導(dǎo)致材料去除率提高，切削力進(jìn)一步降低，這為

7、旋轉(zhuǎn)超聲加工中優(yōu)選工藝參數(shù)提供了理論依據(jù)。
　　分析了超聲振動對刀具的磨損區(qū)域性特征、輪廓形狀和端面磨粒數(shù)目的影響，提出超聲振動使得單個磨粒所承受的載荷降低，從而抑制了刀具的輪廓磨損和磨粒脫落，最終提高了工件的形狀精度和表面質(zhì)量。通過對旋轉(zhuǎn)超聲加工中刀具端面磨粒的微觀破碎形貌進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)磨粒的破碎形態(tài)主要為材料崩碎所產(chǎn)生的淺表層貝殼狀缺陷（微觀破碎）。借助于霍普金森桿沖擊實驗測試材料的動態(tài)力學(xué)性能，提出高應(yīng)變率效應(yīng)使材料的彈性模