力热耦合作用下工程陶瓷精密磨削损伤细观力学建模与数值模拟技术研究

Surface/Sub-surface damage would frequently be introduced during the engineering ceramics precision grinding, consequently causing strength degradation and poor service performance. This project researches on the engineering ceramics precision grinding damage under the mechanical-thermo coupling effect. The detection and characterization techniques of grinding wheel are proposed associate with the abrasive grit geometric model which is more consistent with the actual situation, to simulate the grinding wheel topography. Based on the theory and method of micromechanics, the project built the micromechanics damage mechanical model of engineering ceramics precision grinding under the mechanical-thermo coupling effect, using the Helmoltz free energy included temperature effect and normal rule in the framework of continuum mechanics and thermodynamics. The mechanics and heat conduction control equations are established for the numerical simulation of engineering ceramics precision grinding under the mechanical-thermo coupling effect. The precision grinding damage experiments are conducted to analyze the damage evolution’s influence rules affected by the distribution and abrasive grits interaction, and to investgate the micro-cracks damage evolutional mechanism with its influence on the macroscopic properties. The study can be of great significance to reveal the damage mechanism and extended evolutional mechanism, and provid theoretical guidance for the high efficiency and low damage grinding.

工程陶瓷精密磨削易产生表面/亚表面损伤，严重影响零件使用性能。本项目针对力热耦合作用下的工程陶瓷精密磨削损伤，研究砂轮三维形貌的检测与表征方法，定义与实际情况更相吻合的磨粒模型，进行砂轮三维形貌数值建模；基于细观力学基本理论和方法，在连续介质力学和热力学基本框架内，利用考虑温度效应的工程陶瓷Helmoltz自由能和正交法则，建立力热耦合作用下工程陶瓷精密磨削细观损伤力学模型；建立工程陶瓷精密磨削的力学和热传导控制方程，实现针对力热耦合作用下工程陶瓷精密磨削损伤的数值模拟；开展工程陶瓷精密磨削损伤实验，分析砂轮磨粒排布及磨粒间交互作用等对损伤演化的影响规律，研究磨削加工中工程陶瓷微裂纹损伤演化机制及其对宏观性能的影响。本项目对于深入揭示工程陶瓷精密磨削损伤机理和扩展演化机制具有重要意义，为实现工程陶瓷高效低损伤加工提供理论依据。

工程陶瓷材料以优良的物理和化学性能，在工业、国防军工和航空航天等重要领域得到广泛应用。由于其硬脆特性，工程陶瓷精密磨削易产生表面/亚表面损伤，严重影响零件使用性能。本项目综合考虑磨削加工时的力热耦合作用，提出了力热耦合作用下工程陶瓷精密磨削细观损伤力学建模与数值模拟方法。项目构建了更接近真实情况的截角多面体虚拟磨粒和包含典型裂纹损伤的工件模型，通过在球坐标上平面切割球实体，建立了金刚石砂轮表面形貌模型。深入研究了工程陶瓷精密磨削损伤机理与演化机制，建立了工程陶瓷精密磨削损伤细观力学模型和亚表面损伤模型，可用于指导磨削工艺参数优化和后续光整加工阶段加工余量分配。开发了力热耦合作用下工程陶瓷精密磨削数值模拟技术，进行了磨削力、磨削温度及亚表面损伤的有限元仿真。发现磨粒持续切削时，切屑沿磨粒前端和侧面不断飞出，使工件局部受到微小冲击，磨削力在一定范围内稳定波动，磨粒即将脱离工件时，工件末端边缘产生大量裂纹并向着垂直切削方向扩展，导致工件边缘产生大尺寸碎裂。在数值模拟中考虑力热耦合作用时，磨削热导致材料抗变形能力降低，由于热损伤耦合叠加，亚表面损伤有增大趋势。开展了工程陶瓷精密磨削工艺实验，提出了一种基于光照强度的亚表面损伤检测方法，克服传统破坏性损伤检测时，观察人员用光学显微镜难以清晰地观察到损伤层的构型及进行客观定量测量的问题。系统性分析了工艺参数等对亚表面损伤的影响规律，发现对亚表面损伤的影响程度大小依次为磨削深度、砂轮速度和工件速度。研究成果为氮化硅、蓝宝石、氧化锆等工程陶瓷精密磨削加工提供了一种新型有效的数值模拟与工艺方法，对于实现工程陶瓷高效低损伤加工具有重要的指导意义。