基于离散元模拟的玻璃微铣削机理研究

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微细铣削是适应范围最广的一种微细切削技术。由于玻璃属于硬脆性材料物理机械性能与金属材料有较大差异,加工性能差,加工难度大。如果加工参数选择不尽合理,则加工后的工件表面会产生裂纹、表面破损等缺陷。因此开展玻璃微细铣削加工机理及铣削技术的研究具有重要的理论意义和实用价值。本文通过离散元模拟与实验研究相结合对玻璃微铣削加工过程进行了研究。本文首先利用离散单元法基本思想及软件PFC2D建立了与玻璃材料主要力学性能相匹配的离散元模型。采用单轴压缩试验、巴西劈裂实验和三点弯曲实验相结合的离散元模拟的方法建立了与玻璃材料主要力学性能相匹配的离散元模型。利用所建立的二维离散元模型进行了压痕、切削、微铣削过程二维离散元模拟。从工件裂纹扩展和受力的变化情况,以及加工后的表面质量的角度分析了不同切削厚度、不同的刀具形状以及微铣削时不同主轴转速对玻璃材料去除机理的影响。其次基于3D离散单元法基本思想通过模拟系统对玻璃微铣削中的力学特性进行研究。在由宏观刚体球头铣刀与微观散体组成的玻璃材料相互作用的刚散耦合模拟系统中,刚体通过旋转进给对散体施加作用力,实现散体系统内部结构的不断演变,最终转化为散体颗粒系统的机械能或者变形能,进而对颗粒滑移和裂纹形成、加工中力传递形成的力链、铣削力的分布以及颗粒的去除进行了研究。本文最后基于自主研制的实验加工平台,利用微型硬质合金球头铣刀进行了石英玻璃的高速干式微铣削试验研究。采用电子扫描显微镜(SEM)观察了刀具的磨损形貌以及不同切削参数下石英玻璃的表面加工质量,借助能谱分析仪(EDS)分析了刀具磨损表面及其边缘处的元素分布,并利用测力仪对铣削过程中力的大小及其变化进行了记录分析。本文研究结果可以为完善玻璃等脆性难加工材料加工技术理论以及高效刀具开发和磨损实时检测提供理论和方法支撑,又可以为玻璃等脆性材料的塑性域微铣削参数选择奠定基础,同时也为深入研究玻璃机械加工机理提供一种新的手段。
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