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碳化硅陶瓷精密磨削亚表面损伤及预测研究

刘民慧  
【摘要】:随着空间光学技术的发展,对于大口径非球面空间反射镜的材料提出了更为严格的要求,碳化硅陶瓷以其优良的物理机械性能成为空间反射镜的首选材料,金刚石砂轮磨削加工是碳化硅陶瓷镜面成形加工的主要途径,由于材料的高硬度和高脆性使得磨削加工后产生亚表面裂纹,需要采用效率比较低的抛光加工消除裂纹对工件性能的影响,使得整个反射镜的加工周期变的很长,因此研究和控制碳化硅陶瓷磨削过程中的亚表面裂纹深度对于缩短加工周期是非常有意义的。 本文采用维氏金刚石压头的压痕与刻划试验模拟砂轮单颗磨粒的磨削过程,得到了碳化硅陶瓷的维氏硬度和断裂韧性,分析了磨削过程中材料的去除方式;采用离子束截面抛光技术观测压痕和刻划的亚表面裂纹,分析了压痕载荷对于压痕亚表面裂纹裂纹深度影响,以及刻划深度对于划痕亚表面裂纹深度的影响。 通过离子束截面抛光技术观测碳化硅陶瓷磨削的亚表面裂纹信息,提出了表面破碎层深度、亚表面裂纹最大深度、裂纹在深度方向上的分布以及裂纹密度等全面的磨削亚表面裂纹评价方法;进行了碳化硅陶瓷的磨削实验,分析了主轴转速、进给速度和磨削深度对于碳化硅陶瓷表面破碎层深度、亚表面裂纹最大深度和裂纹密度的影响规律,以及磨削参数对于亚表面裂纹在深度上分布的影响,以碳化硅陶瓷磨削的亚表面质量为目标优化了磨削参数。 从研究单颗磨粒的磨削亚表面裂纹尺寸的计算模型入手,修正了磨削亚表面裂纹深度与表面粗糙度的比例模型,在此基础上建立了碳化硅陶瓷磨削亚表面裂纹深度的预测模型,通过测量磨削表面粗糙度和磨削参数预测亚表面裂纹深度,进行了碳化硅陶瓷的磨削实验,通过对比亚表面裂纹深度的预测值与实验值,验证了预测模型的正确性。


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