光学材料砂带高速研磨亚表面裂纹损伤机理仿真研究

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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。
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