王健健：陶瓷基復合/硬脆材料旋轉超聲制孔損傷機理與抑制策略

更新時間：2024-03-14

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　　研究背景/選題意義/研究價值

　　陶瓷基復合/硬脆材料的低損傷加工難題極大地限制了其在科技領域的應用。旋轉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/撕裂等損傷問題一直沒有得到很好的解決。這一方面是由于對超聲機床的工藝能力認識不足，缺乏制定超聲工藝的邊界條件；另一方面是由于對超聲加工損傷形成機理認識不足，缺乏超聲工藝優化的理論基礎，沒有形成系統有效的加工損傷抑制策略。

　　針對以上問題，論文選取K9玻璃、石英玻璃、藍寶石晶體和C/SiC復合材料為研究對象，在超聲機床工藝能力、材料去除機理、損傷形成機理、低損傷刀具設計等方面開展研究，形成系統的硬脆材料低損傷旋轉超聲加工理論與技術方法。

　　主要研究內容：

　　1.提出超聲機床工藝能力評價指標，保證負載作用下超聲機床的超聲振動仍然有效，從而發揮旋轉超聲加工在減小亞表面損傷和切削力方面的工藝優勢，實現比普通加工減小50%以上的出孔損傷；

超聲機床工藝能力評價指標-極限切削力：建模與實驗驗證

　　2.基于加工損傷形成機理，提出低損傷刀具設計方法，使旋轉超聲加工進一步減小50%以上的出孔損傷，同時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

　　主要創新點：

　　1.提出將極限切削力作為超聲機床的性能評價指標，理論分析并實驗證實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振動特性的理論關系模型，為超聲系統的設計提供了依據。

　　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理，以及磨粒橫向振動可以提高復合材料制孔的表面質量、降低出孔撕裂損傷面積，基于損傷形成機理建立損傷尺寸的理論預測模型，為確定合理的工藝參數提供了依據。

　　3.提出了刀具端部楔形接觸結構的低損傷刀具設計方法，達到了顯著減小出孔損傷(50%以上)的優異效果。

　　通過工藝試驗驗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和方法。

　　代表性學術發表：

　　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.

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王健健：陶瓷基復合/硬脆材料旋轉超聲制孔損傷機理與抑制策略