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石英玻璃微铣削残余应力的离散元分析

郭雪琪  
【摘要】:石英玻璃是典型的硬脆材料,因拥有较好的物理性能,在光学、汽车、机械、生物工程和航空等方面应用广泛。随着石英玻璃需求量的不断增大,对其加工表面质量和加工效率的要求也在不断提高。机械加工石英玻璃表面所产生的残余应力状态对加工表面质量有直接影响,进一步影响工件材料的机械性能和疲劳强度。因此,研究石英玻璃加工表面残余应力很有必要。本文以石英玻璃材料为研究对象,应用离散元模拟和实验分析相结合的方法来研究高速切削石英玻璃表面残余应力的分布规律。本文应用离散元软件PFC2d和PFC3d分别建立了石英玻璃的二维和三维的离散元模型,并对其进行校准。通过石英玻璃的二维切削模型模拟其二维切削过程,利用单因素分析法研究了各主要切削参数对已加工表面残余应力状态的影响规律。通过石英玻璃的三维微铣削模型模拟其微铣削过程,利用正交实验法研究各主要铣削参数对已加工表面残余应力状态和X、Y、Z三个方向铣削力的影响规律。本文还在自行建立的实验平台上进行了石英玻璃微铣削实验。采用正交实验方案得出了X、Y、Z三个方向上铣削力的大小,利用极差法对模拟与实验数据进行分析,得出了铣削参数对铣削力影响的主次顺序;通过绘制铣削力模拟与实验数据对比图,结果表明离散元模拟与实验结果的铣削力变化趋势相一致,说明石英玻璃离散元模型的正确性及利用离散元法分析残余应力的合理性。最后,在实验平台上通过单因素实验分析法,研究了各铣削参数对石英玻璃微铣削加工表面三维形貌图及其表面粗糙度的影响规律。在此研究基础上,与X、Y、Z三个方向上铣削力三者相结合,以表面质量较好、加工效率较高为目标,得出了一组具有说服力的最优铣削参数组合。


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