[发明专利]超声振动辅助磨削的材料亚表面裂纹深度预测方法

说明书

本发明涉及一种超声振动辅助磨削的材料亚表面裂纹深度预测方法，首先在平行于振动方向上连接压痕轮廓两端点作为长度a，在垂直于振动方向上连接压痕轮廓两端点作为宽度b，计算长宽比系数μ=a/b；然后根据长宽比系数对压痕区域内垂直于振动方向的压痕宽度d进行采样测量；进而根据压痕宽度d计算等效特征半径r，并测量压痕区域的侧向裂纹l_c，然后计算等效断裂韧性K_IC；最后根据亚表面裂纹深度与表面粗糙度、表面粗糙度与进给量、进给量与垂直载荷之间的关系，利用等效断裂韧性预测亚表面裂纹深度。该方法可以对超声振动磨削过程中材料亚表面裂纹深度进行预测，推动超声振动辅助磨削加工技术的去除机理研究。

技术领域

本发明涉及一种超声振动辅助磨削的材料亚表面裂纹深度预测方法，尤其涉及一种通过等效断裂韧性预测超声振动辅助磨削过程材料亚表面裂纹深度的方法。

背景技术

随着电子信息技术与光学、材料科学的不断融合。各类硬脆性材料被广泛应用于国防领域和日常生活中。在硬脆性材料的加工过程中，超声振动辅助磨削技术可以改善传统磨削工艺中砂轮和工件间磨削力及磨削加工热量过大、工件表面/亚表面损伤、降低砂轮寿命等一系列问题。不同的硬脆性材料具有不同的断裂韧性，反映了材料在抵抗表面/亚表面裂纹扩展能力的不同。亚表面裂纹深度可以表征亚表面损伤深度，直接决定如光学材料使用稳定性和寿命等指标，所以亚表面裂纹深度的预测对于超声振动磨削去除机理的研究具有十分积极的意义。

发明内容

本发明提出了一种超声振动辅助磨削的材料亚表面裂纹深度预测方法，该方法能够推动超声振动辅助磨削加工技术的去除机理研究及其工业应用。

本发明的技术方案是：一种超声振动辅助磨削的材料亚表面裂纹深度预测方法，其步骤为：

步骤一：计算压痕轮廓的长宽比系数μ

对于一个单颗磨粒超声振动压痕轮廓，在平行于超声振动方向上连接压痕轮廓最远两端点，定义为轮廓长度a；在垂直于振动方向上连接压痕轮廓最远两端点，定义为轮廓宽度b；计算长宽比系数μ＝a/b，并对计算所得长宽比系数四舍五入取整；

步骤二：在压痕区域内按长宽比系数对压痕宽度d进行采点并测量

在压痕区域垂直于超声振动方向，等距离取n＝μ+4条压痕宽度d，测量每条压痕宽度d的长度；

步骤三：等效特征半径r的计算和侧向裂纹l_c的测量

对压痕区域内所有的压痕宽度d求和，其平均值的一半即为等效特征半径r：

式中，i为常数1到n，n为所取压痕宽度d数量，使用光学相机以1000倍放大倍数拍摄压痕轮廓照片，测得压痕变形区域的侧向裂纹值l_c；

步骤四：计算等效断裂韧性K_IC

由公式(2)计算等效断裂韧性K_IC

式中：K_IC为材料的等效断裂韧性，E为材料的杨氏弹性模量，H_V为材料的维氏硬度值，P为所施加的垂直载荷；

步骤五：通过等效断裂韧性预测亚表面裂纹深度

亚表面裂纹深度SSD与表面粗糙度SR的关系为：