CN107103148A - 超声振动单颗磨粒压痕区域平均接触应力的计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种超声振动单颗磨粒压痕区域平均接触应力的计算方法，其步骤为：1、测超声振动单颗磨粒压痕变形区域实际面积值Sv：2、计算虚拟圆的面积S：在压痕区域外作一个包含该压痕区域最小的虚拟圆，虚拟圆半径为dc,计算出虚拟圆的面积值；3、计算面积系数μ：4、判断面积系数μ<70％是否成立：如果成立，将压痕区域的实际面积值Sv带入公式(1)计算出平均接触应力Pm；如果不成立,面积系数μ≥70％,将虚拟圆的面积值S带入公式(2)，计算出平均接触应力Pm。本发明的方法可以计算出超声振动单颗磨粒压痕区域(本文以后称为压痕区域)平均接触应力，可以解决求解超声振动单颗磨粒压痕应力场方程的问题，推动超声振动辅助磨削加工技术的去除机理研究。

Description

超声振动单颗磨粒压痕区域平均接触应力的计算方法
技术领域
本发明涉及一种单颗磨粒压痕区域平均接触应力的计算方法。尤其涉及一种超声振动单颗磨粒压痕区域平均接触应力的计算方法。
背景技术
目前，随着科技的发展对硬脆性材料、难加工材料和新型先进材料的需求日益增多，对关键零件的加工效率、加工质量和加工精度提出了更高的要求。传统磨削方法因无法避免产生较大的磨削力以及磨削热，引起工件表面/亚表面损伤以及砂轮寿命降低等一系列问题。尤其在精密与超精密加工领域，这些加工缺陷的存在严重制约着零件加工精度及加工效率的提高。为解决这些问题，超声振动被引入到磨削加工中。国内外广泛研究证实超声振动磨削在提高材料去除率、提高加工表面质量与加工精度、降低工件表面损伤以及延长砂轮寿命等方面具有显著优势。但施加超声振动对硬脆性材料加工的去除机理尚不明确。根据压痕断裂力学理论，压痕区域的平均接触应力与最终压痕去除形状有密切关系，对揭示超声振动磨削去除机理具有积极意义。为了研究超声振动磨削的去除机理，超声振动单颗磨粒压痕实验是一种可行的材料去除研究方法，但是在超声振动单磨粒压痕实验过程中，无法和传统压痕实验一样，获得准确的压痕区域特征尺寸，因此难以计算超声振动单颗磨粒压痕区域(本文以后称为压痕区域)平均接触应力，造成无法求解超声振动单颗磨粒压痕应力场方程的问题，限制了超声振动磨削去除机理的研究。因此，为了调查压痕区域的特征尺寸，计算平均接触应力，推动超声振动辅助磨削加工技术的去除机理研究，本发明设计了一种计算超声振动单颗磨粒压痕区域平均接触应力的计算方法。
发明内容
由于超声振动的影响以及单颗金刚石磨粒具有随机的几何形状，导致材料表面产生的压痕变形区域的几何形状不规则，并非标准维氏压痕实验形成的四边形变形区域，无法得到符合定义的特征尺寸d，因此本发明设计了一种超声振动单颗磨粒压痕区域平均接触应力Pm的计算方法。
本发明的技术方案是：一种超声振动单颗磨粒压痕区域平均接触应力的计算方法，其步骤为：
步骤一：测量超声振动单颗磨粒压痕变形区域实际面积值Sv：
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实际面积值Sv；
步骤二：计算虚拟圆的面积S：
在压痕变形区域外作一个包含该压痕区域最小的虚拟圆，虚拟圆半径为dc,计算出虚拟圆的面积值
步骤三：计算面积系数μ：
实际面积值Sv与虚拟圆的面积值的比值为面积系数μ，
步骤四：判断面积系数μ<70％是否成立：
如果成立，将压痕区域的实际面积值Sv带入公式(1)中，计算出平均接触应力Pm；
式中：αv是与压头几何形状有关的无量纲常数；
如果不成立,面积系数μ≥70％,将虚拟圆的面积值S带入公式(2)，计算出平均接触应力Pm；
式中：αc是与压头几何形状有关的无量纲常，可取为0.5。
本发明的有益效果是：
本发明的方法可以计算出超声振动单颗磨粒压痕区域(本文以后称为压痕区域)平均接触应力，可以解决求解超声振动单颗磨粒压痕应力场方程的问题，推动超声振动辅助磨削加工技术的去除机理研究。
附图说明
图1是本发明实施例的超声振动单颗磨粒压痕实验装置示意图；
图2是本发明实施例超声振动单颗磨粒压痕区域平均接触应力计算方法的流程示意图；
图3是本发明实施例压痕区域放大1000倍的照片的示意图；
图4是本发明实施例在压痕区域外作一个包含该压痕区域最小的虚拟圆示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步阐述。
如图1所示，本发明的压痕实验在超精密数控平面磨床上进行，实验试件8用石蜡固定在超声振动杆6上，力传感器4固定在底座3下并在底座3上固定左、右支架7，5，单颗磨粒9用万能胶将固定在夹具1前端的圆锥体处，夹具1垂直固定在砂轮架2上，X轴和Z轴方向保持不动，通过Y轴方向上的进给实现单颗磨粒9在实验试件8上的压痕过程。
由于超声振动的影响以及单颗金刚石磨粒具有随机的几何形状，导致材料表面产生的压痕变形区域几何形状不规则，并非标准维氏压痕实验形成的四边形变形区域，无法得到符合定义的特征尺寸d，因此本发明设计了一种超声振动单颗磨粒压痕区域平均接触应力Pm的计算方法。
如图2所示，超声振动单颗磨粒压痕区域平均接触应力计算方法的流程示意图所示，其具体步骤如下：
步骤一：测量超声振动单颗磨粒压痕变形区域实际面积值Sv：
用光学相机以1000倍放大倍数拍摄压痕变形区域的照片，如图3所示，由此图3测得图示压痕变形区域A的实际面积值Sv；
步骤二：计算虚拟圆的面积S：
在压痕变形区域A外作一个包含该压痕区域最小的虚拟圆，如图4所示，虚拟圆半径为dc,计算出虚拟圆的面积值
步骤三：计算面积系数μ：
实际面积值Sv与虚拟圆的面积值的比值为面积系数μ，
步骤四：判断面积系数μ<70％是否成立：
如果成立，将压痕区域的实际面积值Sv带入公式(1)中，计算出平均接触应力Pm。
式中：αv是与压头几何形状有关的无量纲常数；
如果不成立,面积系数μ≥70％,将虚拟圆的面积值S带入公式(2)，计算出平均接触应力Pm。
式中：αc是与压头几何形状有关的无量纲常，可取为0.5。

Claims (1)

1.一种超声振动单颗磨粒压痕区域平均接触应力的计算方法，其特征在于，其步骤为：
步骤一：测量超声振动单颗磨粒压痕变形区域实际面积值Sv：
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实际面积值Sv；
步骤二：计算虚拟圆的面积S：
在压痕变形区域外作一个包含该压痕区域最小的虚拟圆，虚拟圆半径为dc,计算出虚拟圆的面积值
步骤三：计算面积系数μ：
实际面积值Sv与虚拟圆的面积值的比值为面积系数μ，
步骤四：判断面积系数μ<70％是否成立：
如果成立，将压痕区域的实际面积值Sv带入公式(1)中，计算出平均接触应力Pm；
<mrow> <msub> <mi>P</mi> <mi>m</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>P</mi> <mrow> <msub> <mi>&amp;alpha;</mi> <mi>v</mi> </msub> <msub> <mi>S</mi> <mi>v</mi> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
式中：αv是与压头几何形状有关的无量纲常数；
如果不成立,面积系数μ≥70％,将虚拟圆的面积值S带入公式(2)，计算出平均接触应力Pm；
<mrow> <msub> <mi>P</mi> <mi>m</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>P</mi> <mrow> <msub> <mi>&amp;alpha;</mi> <mi>c</mi> </msub> <msup> <msub> <mi>&amp;pi;d</mi> <mi>c</mi> </msub> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
式中：αc是与压头几何形状有关的无量纲常，可取为0.5。
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