王健健：陶瓷基復(fù)合/硬脆材料旋轉(zhuǎn)超聲制孔損傷機(jī)理與抑制策略

更新時(shí)間：2024-03-14

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　　研究背景/選題意義/研究?jī)r(jià)值

　　陶瓷基復(fù)合/硬脆材料的低損傷加工難題極大地限制了其在科技領(lǐng)域的應(yīng)用。旋轉(zhuǎn)超聲磨削加工是硬脆材料加工的有效方法，但是超聲加工的表面裂紋與出口崩邊/撕裂等損傷問(wèn)題一直沒(méi)有得到很好的解決。這一方面是由于對(duì)超聲機(jī)床的工藝能力認(rèn)識(shí)不足，缺乏制定超聲工藝的邊界條件；另一方面是由于對(duì)超聲加工損傷形成機(jī)理認(rèn)識(shí)不足，缺乏超聲工藝優(yōu)化的理論基礎(chǔ)，沒(méi)有形成系統(tǒng)有效的加工損傷抑制策略。

　　針對(duì)以上問(wèn)題，論文選取K9玻璃、石英玻璃、藍(lán)寶石晶體和C/SiC復(fù)合材料為研究對(duì)象，在超聲機(jī)床工藝能力、材料去除機(jī)理、損傷形成機(jī)理、低損傷刀具設(shè)計(jì)等方面開(kāi)展研究，形成系統(tǒng)的硬脆材料低損傷旋轉(zhuǎn)超聲加工理論與技術(shù)方法。

　　主要研究?jī)?nèi)容：

　　1.提出超聲機(jī)床工藝能力評(píng)價(jià)指標(biāo)，保證負(fù)載作用下超聲機(jī)床的超聲振動(dòng)仍然有效，從而發(fā)揮旋轉(zhuǎn)超聲加工在減小亞表面損傷和切削力方面的工藝優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)比普通加工減小50%以上的出孔損傷；

超聲機(jī)床工藝能力評(píng)價(jià)指標(biāo)-極限切削力：建模與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

　　2.基于加工損傷形成機(jī)理，提出低損傷刀具設(shè)計(jì)方法，使旋轉(zhuǎn)超聲加工進(jìn)一步減小50%以上的出孔損傷，同時(shí)出孔損傷的工藝可控性得到顯著提升。

低損傷刀具及其工藝效果

　　主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)：

　　1.提出將極限切削力作為超聲機(jī)床的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，理論分析并實(shí)驗(yàn)證實(shí)了極限切削力是保證硬脆材料超聲制孔工藝有效的首要條件，建立了極限切削力與超聲系統(tǒng)振動(dòng)特性的理論關(guān)系模型，為超聲系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

　　2.揭示了硬脆材料超聲加工抑制亞表面損傷以減小崩邊損傷的機(jī)理，以及磨粒橫向振動(dòng)可以提高復(fù)合材料制孔的表面質(zhì)量、降低出孔撕裂損傷面積，基于損傷形成機(jī)理建立損傷尺寸的理論預(yù)測(cè)模型，為確定合理的工藝參數(shù)提供了依據(jù)。

　　3.提出了刀具端部楔形接觸結(jié)構(gòu)的低損傷刀具設(shè)計(jì)方法，達(dá)到了顯著減小出孔損傷(50%以上)的優(yōu)異效果。

　　通過(guò)工藝試驗(yàn)驗(yàn)證了上述模型和方法的有效性，為低損傷超聲加工硬脆材料提供了新的理論基礎(chǔ)和方法。

　　代表性學(xué)術(shù)發(fā)表：

　　1.Wang J, Feng P*, Zhang J, Zhang C, Pei Z. Modeling the dependency of edge chipping size on the material properties and cutting force for rotary ultrasonic drilling of brittle materials. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2016, 101: 18-27

　　2. Wang J, Feng P, Zhang J*. Reducing edge chipping defect in rotary ultrasonic machining of optical glass by compound step-taper tool. Journal of Manufacturing Processes, 2018, 32: 213-221.

　　3. Wang J, Zhang J, Feng P*, Guo P. Experimental and theoretical investigation on critical cutting force in rotary ultrasonic drilling of brittle materials and composites. International Journal of Mechanical Sciences, 2018, 135: 555-564.