SiC陶瓷预应力切削的离散元模拟和划痕实验研究

陶瓷材料因其优良的力学性能而得到了广泛的工业应用,但陶瓷器件对加工质量要求非常苛刻,在对陶瓷器件进行表面机械加工时,刀具与陶瓷表面的接触作用会造成加工损伤,主要体现在表面/亚表面裂纹及表面残余应力,这类加工损伤使得陶瓷器件的加工成本很高,进而限制了其广泛应用,因此研究陶瓷加工中的损伤及控制机理一直是陶瓷加工及应用领域的重要研究课题。本文通过离散元模拟与实验研究相结合的方法,对预应力加工SiC陶瓷的过程及其已加工表面形貌进行了深入的研究,为开发新的精密加工技术、优化加工工艺参数提高加工质量和加工效率拓展出一条新的思路,并对发展高效、低损伤的陶瓷材料预应力切削新工艺有重要的科学意义和工程应用背景。 全文共分五章,各章内容简述如下。 第1章介绍了论文的研究背景和意义,总结了陶瓷材料加工、预应力加工和离散元法应用的国内外研究概况,提出了本文的研究内容和主题框架。 第2章介绍了陶瓷材料在加工中裂纹源的形成并且分析了其形成机理,并介绍陶瓷材料加工裂纹损伤的实验观察和分类,描述了不同裂纹损伤的形貌特点和形成机理,最后介绍了目前的常用改善加工裂纹的手段,提出预应力加工新工艺的应用。 第3章概述了基于离散元法的PFC2D软件及应用,采用PFC2D软件中的Cluster方法建立了能描述陶瓷材料的沿晶断裂和穿晶断裂力学行为的离散元BPM模型,并运用到SiC陶瓷材料中。 第4章采用五因素四水平表,根据所建立的SiC陶瓷的离散元BPM模型进行了预应力切削的离散元模拟,定性分析了预应力大小、背吃刀量、切削速度、切削刃钝圆半径和刀具前角对SiC陶瓷离散元切削模拟的影响,并得到了切削过程中裂纹的扩展过程和已加工表面质量,并据此优化了加工工艺参数。 第5章为SiC陶瓷的预应力划痕试验设计了预应力施力装置。基于预应力加工原理和压痕断裂力学理论,对SiC陶瓷进行划痕试验研究,得到了切削力和裂纹扩展的变化规律,并定性分析了预应力大小对它们的影响;观察了表面/亚表面的裂纹损伤情况,将实验结果和离散元结果进行对比,证明了应用离散元模拟陶瓷的加工裂纹的有效性。 最后对本文的研究工作进行了总结,并对进一步研究进行了展望。 本文研究是在国家自然科学基金“基于离散元模拟和实验的陶瓷材料预应力磨削加工机理及技术研究”(50875224)资助下进行的。