光学材料砂带高速研磨亚表面裂纹损伤机理仿真研究.pdf

哈尔滨商业大学硕士学位论文 摘 要 SiC 碳化硅 （Silicon Carbide ）与K9 光学玻璃 （Optical Glass ）等脆性材料具有高强 度、高硬度、耐腐蚀等优良的物理与力学特性，被广泛应用到航天、医疗和激光等领 域。但在对脆性材料表面研磨过程中，工件表面会引入表面损伤 （SR ）和亚表面损伤 （dSSD ），从而降低了工件表面/亚表面质量。目前，国内外硬脆材料砂带高速研磨机理 还不够深入，因此，本文对砂带高速研磨SiC 碳化硅 （Silicon Carbie ）与K9 光学玻璃 （Optical Glass ）表面损伤 （SR ）和亚表面损伤 （dSSD ）的预测与分析进行研究。基于 ABAQUS 有限元建立二维单颗粒磨削损伤模型，研究磨削参数 （磨削正压力Fn、磨削 速度 Vs 和磨粒顶角角度2θ）对磨削力以及表面/亚表面损伤的影响规律。建立基于尖锐 磨粒和微小球形磨粒刻划的亚表面裂纹深度 （dSSD ）与表面粗糙度 （SR ）间非线性关系 的模型，分析材料去除和表面粗糙度对亚表面损伤的影响规律。 本文研究结果表明：（1）基于ABAQUS 有限元磨削损伤仿真模型，单颗粒磨削的 初始阶段，裂纹从磨粒的前方和下方开始形成，随着磨粒朝着磨削方向不断运动，在磨 粒前方的裂纹被磨粒去除，但是在磨粒下方的裂纹最终留在了工件表面，形成了表面和 亚表面缺陷。当磨削正压力Fn 与磨粒顶角角度增大时磨削力也增大且亚表面损伤 （dSSD ）有加深趋势，当磨削速度 Vs 增大磨削力变小且亚表面损伤 （dSSD ）深度减小。 （2 ）基于MATLAB 仿真分析磨削后工件的二维表面形貌，单颗粒磨削脆性材料的材料 去除体积 （MRV ）和材料去除率 （MRR ）都随着磨削正压力Fn 和磨粒顶角2θ的增大 而增大。而磨削速度 Vs 的增大材料去除体积 （MRV ）减小，材料去除率 （MRR ）随着 磨削速度的增大而增大，表明较高的磨削速度有利于提高脆性材料表面的材料去除率 （MRR ）。当磨削速度 Vs 达到一定速度值后，再增大磨削速度对于提高材料去除率 （MRR ）没有明显的帮助。（3 ）建立基于尖锐磨粒和微小球形磨粒刻划的亚表面裂纹深 度 （dSSD ）与表面粗糙度 （SR ）间非线性关系模型，工件材料表面粗糙度 （SR ）与亚表 面损伤深度 （dSSD ）呈非线性单调递增关系。 关键词：高速砂带研磨机理；表面损伤；亚表面损伤；SiC碳化硅；K9光学玻璃 - II - 哈尔滨商业大学硕士学位论文 Abstract Brittle materials such as Silicon Carbide and K9 Optical Glass have excellent physical and mechanical characteristics such as high strength, high hardness, and corrosion resistance, which are widely used in aerospace, medical treatment, laser and other fields. However, during the grinding the surface of brittle materials, the surface of the workpiece will cause Surface Damage and Subsurface Damage,which reduces the quality of the surface / subsurface. At the moment, the mechanism of high-speed grinding of hard and brittle material belts at home and abroad is not deep enough. Based on ABAQUS finite element modeling of two-dimensional single p