超声振动辅助磨削的材料亚表面裂纹深度预测方法技术

本发明专利技术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lc，然后计算等效断裂韧性KIC；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。

Subsurface crack depth prediction method for ultrasonic vibration assisted grinding

The invention relates to a method for predicting the subsurface crack depth of material in ultrasonic vibration assisted grinding. First, the length a is connected to the two ends of the indentation contour in the direction of vibration parallel to the vibration direction, and the width B is connected to the two ends point of the indentation contour in the direction of vibration, and the length width ratio system number =a/b is calculated; then the pressure is calculated according to the ratio of length to width. The indentation width D perpendicular to the vibration direction is sampled and measured, and the equivalent characteristic radius R is calculated according to the indentation width D, and the lateral crack LC in the indentation area is measured and the equivalent fracture toughness KIC is calculated. Finally, the subsurface crack depth and the surface roughness, the surface roughness and feed, feed and sag are based on the subsurface crack depth. The relationship between the direct load and the equivalent fracture toughness is used to predict the subsurface crack depth. This method can predict the subsurface crack depth of the material during ultrasonic vibration grinding, and promote the study of the removal mechanism of ultrasonic vibration assisted grinding.

【技术实现步骤摘要】
超声振动辅助磨削的材料亚表面裂纹深度预测方法
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术的技术方案是：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；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，测量每条压痕宽度的长度；步骤三：等效特征半径r的计算和侧向裂纹lc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lc；步骤四：计算等效断裂韧性KIC由公式(2)计算等效断裂韧性KIC式中：KIC为材料的等效断裂韧性，E为材料的杨氏弹性模量，HV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：式中：a是指数，β为压头的半顶锥角，同样取标准维氏压头顶锥角的一半为68°,m为无量纲常数其值为1/2，表面粗糙度SR与进给量ap的关系为：SR＝Cvskfmapn(4)式中：C为常数，VS为砂轮转速，f为进给速度，k为常数，进给量ap与垂直载荷P的关系为：P＝Aapn(5)式中：A为常数；将公式(2)、(4)、(5)代入到公式(3)，在砂轮转速VS和进给速度f一定的条件下，可得到等效断裂韧性KIC与亚表面裂纹深度SSD的关系为：本专利技术的有益效果是：本专利技术的方法可以通过等效断裂韧性预测超声振动磨削时的材料亚表面裂纹深度，推动超声振动辅助磨削加工技术应用。附图说明图1是本专利技术的流程示意图；图2是本专利技术在压痕区域示意图上的具体操作步骤。具体实施方式如图1所示，本专利技术的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包括：步骤一：计算压痕轮廓的长宽比系数μ：如图2所示，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，测量得轮廓长度a＝238.827μm；在垂直于振动方向上连接压痕轮廓最远两端点，测量得轮廓宽度b＝126.324μm。计算长宽比系数μ＝a/b，μ＝1.89，取μ值为2；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μ+4＝6条压痕宽度，测量每条压痕宽度的长度，其值分别为d1＝56.977μm，d2＝87.984μm，d3＝114.865μm，d4＝129.909μm，d5＝90.428μm，d6＝90.205μm；步骤三：等效特征半径r的取值和侧向裂纹lC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：并用光学相机以1000倍放大倍数拍摄压痕变形区域的照片，通过压痕变形区域的照片测得压痕变形区域的侧向裂纹值lc＝71.41μm；步骤四：计算等效断裂韧性KIC：由公式(2)计算等效断裂韧性KIC式中：KIC为材料的等效断裂韧性，E为材料的杨氏弹性模量，可取弹性模量E为8.1×1010Pa，HV为材料的维氏硬度值，可取材料维氏硬度值为7.2×109Pa，P为所施加的垂直载荷，本实例所施加的垂直载荷P＝18.3N；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：式中：a是指数其数值为4/3，β为压头的半顶锥角，同样取标准维氏压头顶锥角的一半为68°，m为无量纲常数其数值为1/2，通过表面粗糙度经验公式可知，表面粗糙度SR与进给量ap的关系为：SR＝Cvskfmapn(4)式中：C为常数其数值为9.7×1011，VS为砂轮转速，f为进给速度；进给量ap与垂直载荷P的关系为：P＝Aapn(5)式中：A为常数其数值为1；将公式(2)、(4)、(5)代入到公式(3)，在砂轮转速VS＝25m/s和进给速度f＝0.051mm的条件下，可根据等效断裂韧性KIC预测亚表面裂纹深度SSD的值为：本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超声振动辅助磨削的材料亚表面裂纹深度预测方法，其特征在于，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；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，测量每条压痕宽度的长度；步骤三：等效特征半径r的计算和侧向裂纹lc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：

【技术特征摘要】
1.一种超声振动辅助磨削的材料亚表面裂纹深度预测方法，其特征在于，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；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，测量每条压痕宽度的长度；步骤三：等效特征半径r的计算和侧向裂纹lc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lc；步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜晨，姜臻禹，高睿，黄佳雷，洪小兰，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：上海,31