CN111428388A - 一种车用硬脆材料旋转超声孔加工出口破损宽度预测方法 - Google Patents

一种车用硬脆材料旋转超声孔加工出口破损宽度预测方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111428388A
CN111428388A CN202010522701.7A CN202010522701A CN111428388A CN 111428388 A CN111428388 A CN 111428388A CN 202010522701 A CN202010522701 A CN 202010522701A CN 111428388 A CN111428388 A CN 111428388A
Authority
CN
China
Prior art keywords
maximum
depth
outlet
cutting force
tool
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202010522701.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111428388B (zh
Inventor
吕东喜
祝颖丹
姚友强
陈明达
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS
Original Assignee
Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS filed Critical Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS
Priority to CN202010522701.7A priority Critical patent/CN111428388B/zh
Publication of CN111428388A publication Critical patent/CN111428388A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111428388B publication Critical patent/CN111428388B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Processing Of Stones Or Stones Resemblance Materials (AREA)

Abstract

本发明公开了一种车用硬脆材料旋转超声孔加工出口破损宽度预测方法，包括以下步骤：（1）确定刀具端面磨粒的最大切削力及亚表层裂纹深度；（2）建立亚表层裂纹深度与磨粒的最大切削深度之间的理论关系模型；（3）确定刀具端面上的磨粒数目及刀具的平均切削力；（4）确定刀具的最大切削力及作用于加工面边缘上的最大额外弯矩；（5）建立应力强度因子与最大亚表层裂纹深度和最大额外弯矩之间的关系模型；（6）建立出口破损的理论厚度与最大亚表层裂纹深度的关系；（7）建立出口破损的宽度与刀具的平均切削力的理论关系。本发明综合考虑多种因素，实现了对车用硬脆材料旋转超声孔加工过程中出口破损宽度的预测，提高了预测精度。

Description

一种车用硬脆材料旋转超声孔加工出口破损宽度预测方法
技术领域
本发明涉及旋转超声孔加工技术领域，具体涉及一种车用硬脆材料旋转超声孔加工出口破损宽度预测方法。
背景技术
结构陶瓷所固有的强度高、耐磨性好、隔热导系数小、低密度和低膨胀系数等性能，使其广泛用于发动机和热交换零件的制造。另外，陶瓷耐腐蚀性强，在高温下有良好的热稳定性，广泛应用于汽油机点火系统火花塞基体的制造。然而作为典型的硬脆材料，在对结构陶瓷进行孔加工过程中，刀具-工件的较大挤压力不可避免地引起孔出口位置产生边缘破损，严重降低了装配精度和结构完整性，并对工件的使用寿命产生影响。因此，现有技术中通常使用旋转超声孔加工技术来实现脆性材料的孔加工，以提高孔的加工质量和效率。
旋转超声加工已被公认为是一种加工脆性材料的高效低成本的加工方法。目前，旋转超声加工在许多工业领域得到越来越广泛的应用，包括旋转超声钻削，旋转超声磨削和旋转超声铣削。在硬脆材料的旋转超声孔加工过程中，刀具的切削力直接影响了出口破损的宽度，因此需要建立切削力与出口破损宽度的非线性关系模型，便于对出口破损宽度进行预测，以优化加工工艺参数，实现脆性材料的孔结构零件的高效、低损伤加工。目前出口破损宽度的预测方法主要有基于理论分析的破损宽度预测方法。
例如Wang JJ, Feng PF, Zhang JF, Zhang CL和 Pei ZJ于2016年在《国际机床与制造杂志（International Journal of Machine Tools & Manufacture）》杂志第101卷18-27页上发表的《脆性材料旋转超声孔加工中边缘破损尺寸对材料性能和切削力的依赖性建模（Modeling the dependency of edge chipping size on the materialproperties and cutting force for rotary ultrasonic drilling of brittlematerials）》。基于理论分析的破损宽度预测方法假设加工面上的所有亚表层裂纹具有相同的深度，在刀具的平均切削力驱动作用下，加工面边缘的亚表层裂纹被激活，并向下扩展形成出口破损。
然而，超声振动的叠加使得刀具的瞬时切削力呈现出周期性波动特征，并且在磨粒正弦轨迹的最低点，刀具的瞬时切削力达到最大值。在刀具轴向最大切削力的挤压作用下，工件的悬空部分向下弯曲，使得加工面边缘上的亚表层裂纹承受最大额外弯矩，这是导致出口破损形成的直接原因。
此外，刀具端面上磨粒高度参差不齐的分布特征，导致加工面上的亚表层裂纹深度存在较大差异。在刀具最大额外弯矩的驱动作用下，加工面边缘的最大深度裂纹最先被激活，并向下扩展进而形成出口破损。而现有基于理论分析的破损宽度预测方法并未考虑，从而降低了预测精度和可靠性。
发明内容
本发明针对本领域现有车用硬脆材料旋转超声孔加工过程中出口破损宽度预测方法未能考虑最大额外弯矩及最大深度裂纹对孔出口破损宽度的影响，而导致预测精度和可靠性较低的问题，本发明提供了一种车用硬脆材料旋转超声孔加工出口破损宽度预测方法，实现对车用硬脆材料旋转超声孔加工过程中出口破损宽度的准确预测。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种车用硬脆材料旋转超声孔加工出口破损宽度预测方法，包括以下步骤：
（1）确定刀具端面磨粒的最大切削力
Figure 879040DEST_PATH_IMAGE001
及亚表层裂纹深度
Figure 124076DEST_PATH_IMAGE002
：对刀具端面上 高度为
Figure 903814DEST_PATH_IMAGE003
的任一磨粒，依据压痕断裂力学理论，建立该磨粒的最大切削力
Figure 95761DEST_PATH_IMAGE004
与最大切削 深度
Figure 910133DEST_PATH_IMAGE005
的关系；建立该磨粒印压作用引起的亚表层裂纹深度
Figure 732595DEST_PATH_IMAGE002
与最大切削力
Figure 61945DEST_PATH_IMAGE006
的关系；
（2）建立亚表层裂纹深度
Figure 260846DEST_PATH_IMAGE002
与磨粒的最大切削深度
Figure 929724DEST_PATH_IMAGE007
之间的理论关系模型： 对于高度为
Figure 253914DEST_PATH_IMAGE008
的任一磨粒而言，利用步骤（1）中所得磨粒的最大切削力
Figure 8243DEST_PATH_IMAGE009
与其最大切削 深度
Figure 745255DEST_PATH_IMAGE010
的关系，并结合磨粒印压作用引起的亚表层裂纹深度
Figure 65378DEST_PATH_IMAGE002
与最大切削力
Figure 495222DEST_PATH_IMAGE011
的 关系，建立亚表层裂纹深度
Figure 799165DEST_PATH_IMAGE002
与磨粒的最大切削深度
Figure 339868DEST_PATH_IMAGE010
之间的理论关系模型；
（3）确定刀具端面上的磨粒数目
Figure 983339DEST_PATH_IMAGE012
及刀具的平均切削力
Figure 318505DEST_PATH_IMAGE013
：根据磨粒的形状、 磨粒浓度及刀具的端面面积确定刀具端面上的磨粒数目
Figure 47427DEST_PATH_IMAGE012
；依据刀具的平均切削力
Figure 188558DEST_PATH_IMAGE013
与所有参与切削磨粒的合力相等的关系，并结合磨粒的正态分布特征及刀具端面上磨粒数 目
Figure 686535DEST_PATH_IMAGE014
的计算公式，确定刀具的平均切削力 ；
（4）确定刀具的最大切削力
Figure 520499DEST_PATH_IMAGE015
及作用于加工面边缘上的最大额外弯矩
Figure 471138DEST_PATH_IMAGE016
：利用 磨粒高度服从正态分布的特征，并结合步骤（1）中高度为
Figure 353643DEST_PATH_IMAGE017
磨粒的最大切削力
Figure 768444DEST_PATH_IMAGE018
与最大 切削深度
Figure 710992DEST_PATH_IMAGE019
的关系，确定刀具的最大切削力
Figure 211243DEST_PATH_IMAGE015
；依据加工面上的最大压力
Figure 631860DEST_PATH_IMAGE020
与 刀具的最大切削力
Figure 104430DEST_PATH_IMAGE015
的关系，确定作用于加工面边缘上的最大额外弯矩
Figure 280197DEST_PATH_IMAGE021
；
（5）建立应力强度因子
Figure 205427DEST_PATH_IMAGE022
与最大亚表层裂纹深度
Figure 483263DEST_PATH_IMAGE023
和最大额外弯矩
Figure 544760DEST_PATH_IMAGE024
之 间的关系模型：基于最大深度裂纹表面的正应力
Figure 891428DEST_PATH_IMAGE025
与最大额外弯矩
Figure 303954DEST_PATH_IMAGE021
的关系，并结 合应力强度因子
Figure 331953DEST_PATH_IMAGE026
与最大亚表层裂纹深度
Figure 513536DEST_PATH_IMAGE027
和最大深度裂纹表面正应力
Figure 765526DEST_PATH_IMAGE025
的 内在关联，建立应力强度因子
Figure 665349DEST_PATH_IMAGE022
与最大亚表层裂纹深度
Figure 293776DEST_PATH_IMAGE027
和最大额外弯矩
Figure 595444DEST_PATH_IMAGE021
之间的关系模型；
（6）建立出口破损的理论厚度
Figure 956019DEST_PATH_IMAGE028
与最大亚表层裂纹深度
Figure 405454DEST_PATH_IMAGE027
的关系：基于裂纹 失稳的临界条件，结合步骤（4）中刀具的最大切削力
Figure 775256DEST_PATH_IMAGE015
以及步骤（1）中高度为
Figure 665852DEST_PATH_IMAGE017
的任一 磨粒的最大切削力
Figure 525223DEST_PATH_IMAGE018
的计算公式，并依据步骤（5）中应力强度因子
Figure 134059DEST_PATH_IMAGE022
与最大亚表层裂 纹深度
Figure 307551DEST_PATH_IMAGE027
和最大额外弯矩
Figure 318233DEST_PATH_IMAGE021
之间的关系模型，建立出口破损的理论厚度
Figure 348506DEST_PATH_IMAGE028
与 最大亚表层裂纹深度
Figure 444638DEST_PATH_IMAGE027
的关系；
（7）建立出口破损的宽度
Figure 156242DEST_PATH_IMAGE029
与刀具的平均切削力
Figure 83746DEST_PATH_IMAGE030
的理论关系：依据步骤 （3）中刀具的平均切削力
Figure 222604DEST_PATH_IMAGE030
与刀具的等效切削深度
Figure 806032DEST_PATH_IMAGE031
的关系，并结合步骤（2）亚表 层裂纹深度
Figure 120994DEST_PATH_IMAGE032
与磨粒的最大切削深度
Figure 106268DEST_PATH_IMAGE019
之间的理论关系模型，综合考虑刀具的 等效切削深度
Figure 416026DEST_PATH_IMAGE033
与最大磨粒的最大切削深度
Figure 486750DEST_PATH_IMAGE034
相等的关系，并依据步骤（6）中出口 破损的理论厚度
Figure 602474DEST_PATH_IMAGE035
与最大亚表层裂纹深度
Figure 442254DEST_PATH_IMAGE027
的关系，并结合步骤（3）中刀具端 面上的磨粒数目
Figure 922914DEST_PATH_IMAGE014
的计算公式，建立出口破损的宽度
Figure 277672DEST_PATH_IMAGE036
与刀具的平均切削力
Figure 134769DEST_PATH_IMAGE030
及综合影响系数
Figure 829056DEST_PATH_IMAGE037
和
Figure 542934DEST_PATH_IMAGE038
的理论关系；
依据步骤（6）中得到的出口破损的理论厚度
Figure 588250DEST_PATH_IMAGE035
以及综合影响系数
Figure 983460DEST_PATH_IMAGE037
和
Figure 532253DEST_PATH_IMAGE038
计算得到 出口破损的宽度
Figure 682611DEST_PATH_IMAGE036
，实现车用硬脆材料旋转超声孔加工出口破损宽度的预测。
本发明车用硬脆材料旋转超声孔加工出口破损宽度预测方法，适用于陶瓷类、玻璃类等脆性材料的旋转超声孔加工。
步骤（1）中，任一磨粒的最大切削力
Figure 949645DEST_PATH_IMAGE006
与最大切削深度
Figure 148545DEST_PATH_IMAGE007
的关系如式（1）所 示：
Figure 551844DEST_PATH_IMAGE039
其中，
Figure 873104DEST_PATH_IMAGE040
为磨粒的半锥角，
Figure 627434DEST_PATH_IMAGE041
为脆性材料的维氏硬度；
步骤（1）中，高度为
Figure 364445DEST_PATH_IMAGE017
的磨粒印压作用引起的亚表层裂纹深度
Figure 950148DEST_PATH_IMAGE032
与最大切削力
Figure 379992DEST_PATH_IMAGE042
的关系如式（2）所示：
Figure 356038DEST_PATH_IMAGE043
其中，
Figure 959058DEST_PATH_IMAGE044
，
Figure 602529DEST_PATH_IMAGE045
为脆性材料的弹性模量，
Figure 937695DEST_PATH_IMAGE046
为 脆性材料的维氏硬度，
Figure 731863DEST_PATH_IMAGE040
为磨粒的半锥角，
Figure 810678DEST_PATH_IMAGE047
为脆性材料的断裂韧性，
Figure 308655DEST_PATH_IMAGE048
为常量，取0.5。
步骤（2）中，所述亚表层裂纹深度
Figure 877040DEST_PATH_IMAGE032
与磨粒的最大切削深度
Figure 93257DEST_PATH_IMAGE019
之间的理论 关系模型如式（3）所示：
Figure 38080DEST_PATH_IMAGE049
。
步骤（3）中，所述刀具端面上的磨粒数目
Figure 390564DEST_PATH_IMAGE050
按式（4）确定：
Figure 333112DEST_PATH_IMAGE051
其中，
Figure 833363DEST_PATH_IMAGE052
为刀具的端面面积，
Figure 785139DEST_PATH_IMAGE053
，
Figure 523288DEST_PATH_IMAGE054
和
Figure 371158DEST_PATH_IMAGE055
分别为刀具外径和 刀具内径，
Figure 296389DEST_PATH_IMAGE056
为磨粒浓度，
Figure 583014DEST_PATH_IMAGE057
为磨粒的半锥角，
Figure 910090DEST_PATH_IMAGE058
为磨粒密度，
Figure 194440DEST_PATH_IMAGE059
为磨粒的平均尺寸。
步骤（3）中，所述刀具的平均切削力
Figure 606967DEST_PATH_IMAGE030
按式（5）确定：
Figure 431704DEST_PATH_IMAGE060
其中，
Figure 613286DEST_PATH_IMAGE061
，
Figure 68539DEST_PATH_IMAGE062
，
Figure 30678DEST_PATH_IMAGE063
为最大磨粒的高度，
Figure 596789DEST_PATH_IMAGE064
为最小磨粒的高度，
Figure 698125DEST_PATH_IMAGE065
为参与切削的最小磨粒的高度，
Figure 324278DEST_PATH_IMAGE066
为刀具的等效切削 深度。
步骤（4）中，所述刀具的最大切削力
Figure 711397DEST_PATH_IMAGE015
按式（6）确定：
Figure 877936DEST_PATH_IMAGE067
所述最大额外弯矩
Figure 34111DEST_PATH_IMAGE021
的计算公式如式（7）所示：
Figure 831166DEST_PATH_IMAGE068
其中，
Figure 440002DEST_PATH_IMAGE052
为刀具的端面面积，
Figure 675811DEST_PATH_IMAGE054
和
Figure 686492DEST_PATH_IMAGE055
分别为刀具外径和刀具内径。
步骤（5）中，最大深度裂纹表面的正应力
Figure 654448DEST_PATH_IMAGE025
与最大额外弯矩
Figure 750580DEST_PATH_IMAGE021
的关系如式 （8）所示：
Figure 258922DEST_PATH_IMAGE069
其中，
Figure 389689DEST_PATH_IMAGE035
为出口破损的理论厚度；
步骤（5）中，所述应力强度因子
Figure 528546DEST_PATH_IMAGE022
与最大亚表层裂纹深度
Figure 174291DEST_PATH_IMAGE027
和最大深度裂纹表 面正应力
Figure 424007DEST_PATH_IMAGE025
的内在关联如式（9）所示：
Figure 409280DEST_PATH_IMAGE070
其中，
Figure 719039DEST_PATH_IMAGE071
；
所述应力强度因子
Figure 852080DEST_PATH_IMAGE022
与最大亚表层裂纹深度
Figure 905487DEST_PATH_IMAGE027
和最大额外弯矩
Figure 745267DEST_PATH_IMAGE021
的关系 模型如式（10）所示：
Figure 288244DEST_PATH_IMAGE072
。
步骤（6）中，裂纹失稳的临界条件可以表示为
Figure 580685DEST_PATH_IMAGE073
。将步骤（4）中最大切 削力
Figure 437782DEST_PATH_IMAGE015
的计算公式（6）和步骤（5）中应力强度因子
Figure 194386DEST_PATH_IMAGE022
的计算公式（10）带入，得到所述出 口破损的理论厚度
Figure 845947DEST_PATH_IMAGE035
与最大亚表层损伤深度
Figure 891263DEST_PATH_IMAGE027
的关系如式（11）所示：
Figure 286473DEST_PATH_IMAGE074
（11）。
步骤（7）中，所述出口破损宽度
Figure 912231DEST_PATH_IMAGE029
的计算公式如式（12）所示：
Figure 273DEST_PATH_IMAGE075
所述出口破损的宽度
Figure 267306DEST_PATH_IMAGE029
与刀具的平均切削力
Figure 262944DEST_PATH_IMAGE030
的理论关系如式（13）所示：
Figure 931822DEST_PATH_IMAGE076
（13）
利用式（13）可对不同加工工艺条件下脆性材料旋转超声孔加工出口破损的宽度进行预测。
确定综合影响系数
Figure 190766DEST_PATH_IMAGE077
和
Figure 741833DEST_PATH_IMAGE038
取值的方法：
（A）利用金刚石磨粒刀具在车用硬脆材料上进行旋转超声孔加工实验，利用测力仪分 别测量多种不同工艺条件下刀具的平均切削力
Figure 744424DEST_PATH_IMAGE030
，并借助于式（5）计算得到刀具的等 效切削深度
Figure 267809DEST_PATH_IMAGE066
，根据精度需要，可设置不止多种旋转超声孔加工条件；
（B）测量多种不同工艺条件下所得孔的出口破损宽度
Figure 494391DEST_PATH_IMAGE029
；
（C）将刀具的等效切削深度
Figure 736016DEST_PATH_IMAGE066
代入式（3）计算得到刀具端面上高度为
Figure 276719DEST_PATH_IMAGE078
磨粒印 压作用引起的亚表层裂纹深度
Figure 654611DEST_PATH_IMAGE027
，将亚表层裂纹深度
Figure 317673DEST_PATH_IMAGE027
代入式（11）计算得 到出口破损的理论厚度
Figure 781016DEST_PATH_IMAGE035
；
（D）将步骤（A）、（B）得到的4组出口破损的理论厚度
Figure 125409DEST_PATH_IMAGE035
代入式（12）中，通过曲线拟 合的方法确定综合影响系数
Figure 623387DEST_PATH_IMAGE077
和
Figure 191771DEST_PATH_IMAGE038
取值。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
（1）考虑了刀具的瞬时最大切削力及加工面边缘最大深度裂纹对孔出口破损形成过程的影响，更加符合实际加工过程；
（2）考虑了刀具与工件挤压作用产生的最大额外弯矩对加工面边缘最大深度裂纹的激活作用，并据此提出了孔出口破损的理论厚度与最大亚表层裂纹深度之间的理论关系模型；
（3）考虑到旋转超声孔加工过程中的刀具刚度、切削热和加工过程稳定性的影响，引入了综合影响系数来表征此类因素对孔出口破损宽度的影响；
（4）考虑了加工面上的最大额外弯矩及加工面边缘最大深度裂纹对孔出口破损形成过程的影响，分析了裂纹表面的应力状态，综合考虑了裂纹失稳的临界条件，据此建立了刀具平均切削力与孔出口破损宽度之间的理论关系模型，提出了出口破损宽度的预测方法。
本发明综合考虑上述因素，使得计算过程更加符合实际加工状况，实现了对车用硬脆材料旋转超声孔加工过程中出口破损宽度的预测，提高了预测精度。
附图说明
图1为车用硬脆材料旋转超声孔加工过程示意图；
图2为单个超声振动周期内磨粒的运动轨迹示意图；
图3为不同高度磨粒印压作用引起的亚表层损伤深度示意图；
图4为刀具端面磨粒的分布特征示意图；
图5为加工面上最大压力的分布特征示意图；
图6为最大深度裂纹表面的正应力分布示意图；
图中：1-工件，2-超声振动方向，3-进给方向，4-回转方向，5-亚表层损伤，6-加工面，7-出口破损，8-磨粒。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。本领域技术人员在理解本发明的技术方案基础上进行修改或等同替换，而未脱离本发明技术方案的范围，均应涵盖在本发明的保护范围内。
本发明的车用硬脆材料旋转超声孔加工出口破损宽度预测方法，适用于陶瓷类、 玻璃类等脆性材料的旋转超声孔加工，本实施例以BK7玻璃孔加工为例，其加工形式如图1 所示，所用刀具为金刚石磨粒刀具，刀具随主轴旋转并作轴向超声振动，且刀具垂直于工件 表面作进给运动。刀具外径
Figure 407989DEST_PATH_IMAGE079
，刀具内径
Figure 290494DEST_PATH_IMAGE080
，磨粒平均尺寸
Figure 705295DEST_PATH_IMAGE081
，最大磨粒高度
Figure 382264DEST_PATH_IMAGE082
，最小磨粒高度
Figure 820199DEST_PATH_IMAGE083
，磨粒的半锥角
Figure 568712DEST_PATH_IMAGE084
，超声振幅
Figure 775702DEST_PATH_IMAGE085
，超声振动频率
Figure 889152DEST_PATH_IMAGE086
。BK7玻璃的维氏硬度
Figure 879629DEST_PATH_IMAGE087
，弹性模量
Figure 103937DEST_PATH_IMAGE088
，断裂韧性
Figure 431013DEST_PATH_IMAGE089
。
这些参数是由金刚石磨粒刀具的具体型号、BK7玻璃（脆性材料）的力学性能及超声振动装置的设置决定的，上述参数并非是对本发明的限制条件。
本实施例的一种车用硬脆材料旋转超声孔加工出口破损宽度预测方法，包括以下步骤：
（1）确定刀具端面磨粒的最大切削力
Figure 777681DEST_PATH_IMAGE001
及亚表层裂纹深度
Figure 924629DEST_PATH_IMAGE002
：对刀具端面 上高度为
Figure 952627DEST_PATH_IMAGE003
的任一磨粒，依据压痕断裂力学理论，建立该磨粒的最大切削力
Figure 134210DEST_PATH_IMAGE004
与最大切 削深度
Figure 651779DEST_PATH_IMAGE005
的关系；建立该磨粒印压作用引起的亚表层裂纹深度
Figure 551602DEST_PATH_IMAGE002
与最大切削力
Figure 117712DEST_PATH_IMAGE006
的关系。
单颗磨粒的正弦运动轨迹如图2所示，其中，
Figure 153802DEST_PATH_IMAGE090
为磨粒沿刀具轴向的位移，
Figure 842272DEST_PATH_IMAGE091
为超 声振动的振幅。此时，高度为
Figure 963812DEST_PATH_IMAGE008
的任一磨粒的最大切削力
Figure 333613DEST_PATH_IMAGE006
与最大切削深度
Figure 552105DEST_PATH_IMAGE007
的关系 如式（1）所示：
Figure 349160DEST_PATH_IMAGE039
其中，
Figure 957995DEST_PATH_IMAGE040
为磨粒的半锥角，
Figure 865909DEST_PATH_IMAGE041
为BK7玻璃的维氏硬度。
按式（2）确定高度为
Figure 938907DEST_PATH_IMAGE017
的磨粒印压作用引起的亚表层裂纹深度
Figure 906863DEST_PATH_IMAGE032
与最大 切削力
Figure 2995DEST_PATH_IMAGE042
的关系：
Figure 714599DEST_PATH_IMAGE043
其中，
Figure 907683DEST_PATH_IMAGE044
，
Figure 46540DEST_PATH_IMAGE045
为BK7玻璃的弹性模量，
Figure 364389DEST_PATH_IMAGE046
为脆性材 料的维氏硬度，
Figure 879684DEST_PATH_IMAGE040
为磨粒的半锥角，
Figure 927274DEST_PATH_IMAGE047
为BK7玻璃的断裂韧性，
Figure 237033DEST_PATH_IMAGE048
为常量，取0.5。
（2）建立亚表层裂纹深度
Figure 42178DEST_PATH_IMAGE002
与磨粒的最大切削深度
Figure 95585DEST_PATH_IMAGE007
之间的理论关系模 型：对于高度为
Figure 611DEST_PATH_IMAGE008
的任一磨粒而言，利用步骤（1）中所得磨粒的最大切削力
Figure 481271DEST_PATH_IMAGE009
与其最大 切削深度
Figure 39291DEST_PATH_IMAGE010
的关系，并结合磨粒印压作用引起的亚表层裂纹深度
Figure 630810DEST_PATH_IMAGE002
与最大切 削力
Figure 652992DEST_PATH_IMAGE011
的关系，建立亚表层裂纹深度
Figure 304554DEST_PATH_IMAGE002
与磨粒的最大切削深度
Figure 84291DEST_PATH_IMAGE010
之间的理论 关系模型。
亚表层裂纹深度
Figure 479500DEST_PATH_IMAGE032
与磨粒的最大切削深度
Figure 356189DEST_PATH_IMAGE019
之间的理论关系模型如式 （3）所示：
Figure 178652DEST_PATH_IMAGE049
。
不同高度磨粒印压作用引起的亚表层损伤深度如图3所示，其中，
Figure 445685DEST_PATH_IMAGE063
为最大磨 粒的高度，
Figure 644585DEST_PATH_IMAGE064
为最小磨粒的高度，
Figure 375781DEST_PATH_IMAGE065
为参与切削的最小磨粒的高度，
Figure 369145DEST_PATH_IMAGE066
为刀具的 等效切削深度。因此，基于上述亚表层裂纹深度
Figure 123474DEST_PATH_IMAGE032
与磨粒的最大切削深度
Figure 126065DEST_PATH_IMAGE010
之间 的理论关系模型，并结合图3可知，刀具端面上高度为
Figure 711767DEST_PATH_IMAGE063
的最大磨粒，其最大切削深度为
Figure 876032DEST_PATH_IMAGE034
，其印压作用引起的亚表层裂纹深度最大，其值为
Figure 117658DEST_PATH_IMAGE027
。
（3）确定刀具端面上的磨粒数目
Figure 658360DEST_PATH_IMAGE012
及刀具的平均切削力
Figure 98569DEST_PATH_IMAGE013
：根据磨粒的形 状、磨粒浓度及刀具的端面面积确定刀具端面上的磨粒数目
Figure 699315DEST_PATH_IMAGE012
；依据刀具的平均切削力
Figure 162657DEST_PATH_IMAGE013
与所有参与切削磨粒的合力相等的关系，并结合磨粒的正态分布特征及刀具端面 上磨粒数目
Figure 569368DEST_PATH_IMAGE014
的计算公式，确定刀具的平均切削力
Figure 801766DEST_PATH_IMAGE013
。
图4所示为刀具端面上磨粒的分布特征，按式（4）确定刀具端面上的磨粒数目
Figure 573413DEST_PATH_IMAGE050
：
Figure 524051DEST_PATH_IMAGE051
其中，
Figure 468874DEST_PATH_IMAGE052
为刀具的端面面积，
Figure 821357DEST_PATH_IMAGE053
，
Figure 763906DEST_PATH_IMAGE054
和
Figure 201840DEST_PATH_IMAGE055
分别为刀具外径和刀 具内径，
Figure 953283DEST_PATH_IMAGE056
为磨粒浓度，
Figure 160273DEST_PATH_IMAGE057
为磨粒的半锥角，
Figure 273723DEST_PATH_IMAGE058
为磨粒密度，
Figure 198954DEST_PATH_IMAGE059
为磨粒的平均尺寸。
按式（5）确定刀具的平均切削力
Figure 485579DEST_PATH_IMAGE030
：
Figure 812655DEST_PATH_IMAGE060
其中，
Figure 831426DEST_PATH_IMAGE061
，
Figure 243953DEST_PATH_IMAGE062
，
Figure 334269DEST_PATH_IMAGE063
为最大磨粒的高 度，
Figure 515851DEST_PATH_IMAGE064
为最小磨粒的高度，
Figure 971104DEST_PATH_IMAGE065
为参与切削的最小磨粒的高度，
Figure 605347DEST_PATH_IMAGE066
为刀具的等效切 削深度。
使用实验过程中检测到的刀具平均切削力
Figure 233775DEST_PATH_IMAGE030
，借助于式（5）计算获得刀具的 等效切削深度
Figure 535443DEST_PATH_IMAGE066
。另外，由图3可知，刀具的等效切削深度
Figure 161596DEST_PATH_IMAGE066
等于高度为
Figure 283136DEST_PATH_IMAGE063
的 最大磨粒的最大切削深度
Figure 715255DEST_PATH_IMAGE034
，即
Figure 871429DEST_PATH_IMAGE092
。
（4）确定刀具的最大切削力
Figure 668484DEST_PATH_IMAGE015
及作用于加工面边缘上的最大额外弯矩
Figure 339637DEST_PATH_IMAGE016
： 利用磨粒高度服从正态分布的特征，并结合步骤（1）中高度为
Figure 247550DEST_PATH_IMAGE017
磨粒的最大切削力
Figure 258231DEST_PATH_IMAGE018
与最大切削深度
Figure 226187DEST_PATH_IMAGE019
的关系，确定刀具的最大切削力
Figure 384636DEST_PATH_IMAGE015
；依据加工面上的最大压力
Figure 96240DEST_PATH_IMAGE020
与刀具的最大切削力
Figure 961428DEST_PATH_IMAGE015
的关系，确定作用于加工面边缘上的最大额外弯矩
Figure 100285DEST_PATH_IMAGE021
。
按式（6）确定刀具的最大切削力
Figure 746030DEST_PATH_IMAGE015
：
Figure 261325DEST_PATH_IMAGE067
图5所示为加工面上最大压力
Figure 981020DEST_PATH_IMAGE020
的分布特征。加工面上的最大压力
Figure 290778DEST_PATH_IMAGE020
可以用刀 具的最大切削力
Figure 415030DEST_PATH_IMAGE015
表示
Figure 468437DEST_PATH_IMAGE093
。作用于加工面边缘上的最大额外弯矩
Figure 308217DEST_PATH_IMAGE021
可以用加工面上的最大压力
Figure 788877DEST_PATH_IMAGE020
表示
Figure 409214DEST_PATH_IMAGE094
。因此，作用于 加工面边缘上的最大额外弯矩
Figure 732DEST_PATH_IMAGE021
的计算公式如式（7）所示：
Figure 695019DEST_PATH_IMAGE068
其中，
Figure 674476DEST_PATH_IMAGE052
为刀具的端面面积，
Figure 454213DEST_PATH_IMAGE054
和
Figure 849423DEST_PATH_IMAGE055
分别为刀具外径和刀具内径。
（5）建立应力强度因子
Figure 663795DEST_PATH_IMAGE022
与最大亚表层裂纹深度
Figure 548574DEST_PATH_IMAGE023
和最大额外弯矩
Figure 815608DEST_PATH_IMAGE024
之间的关系模型：基于最大深度裂纹表面的正应力
Figure 14508DEST_PATH_IMAGE025
与最大额外弯矩
Figure 683387DEST_PATH_IMAGE021
的关系，并结 合应力强度因子
Figure 739067DEST_PATH_IMAGE026
与最大亚表层裂纹深度
Figure 493397DEST_PATH_IMAGE027
和最大深度裂纹表面正应力
Figure 230408DEST_PATH_IMAGE025
的 内在关联，建立应力强度因子
Figure 753794DEST_PATH_IMAGE022
与最大亚表层裂纹深度
Figure 245955DEST_PATH_IMAGE027
和最大额外弯矩
Figure 487580DEST_PATH_IMAGE021
之间的关系模型。
图6所示为最大深度裂纹表面的正应力分布。在最大额外弯矩
Figure 762704DEST_PATH_IMAGE021
的作用下，加 工面边缘上深度为 的
Figure 406175DEST_PATH_IMAGE027
亚表层裂纹最先被激活，其斜向扩展形成出口破损。
最大深度裂纹表面的正应力
Figure 803658DEST_PATH_IMAGE025
与最大额外弯矩
Figure 532580DEST_PATH_IMAGE021
的关系如式（8）所示：
Figure 611394DEST_PATH_IMAGE069
其中，
Figure 109372DEST_PATH_IMAGE035
为出口破损的理论厚度。
如式（9）所示，应力强度因子
Figure 943335DEST_PATH_IMAGE022
与最大亚表层裂纹深度
Figure 893974DEST_PATH_IMAGE027
和最大深度裂 纹表面正应力
Figure 776479DEST_PATH_IMAGE025
的内在关联为：
Figure 128963DEST_PATH_IMAGE070
其中，
Figure 136758DEST_PATH_IMAGE071
。
将式（8）带入式（9）可得，应力强度因子
Figure 574693DEST_PATH_IMAGE022
与最大亚表层裂纹深度
Figure 995310DEST_PATH_IMAGE027
和最大 额外弯矩
Figure 467879DEST_PATH_IMAGE021
的关系模型如式（10）所示：
Figure 643646DEST_PATH_IMAGE072
。
（6）建立出口破损的理论厚度
Figure 568876DEST_PATH_IMAGE028
与最大亚表层裂纹深度
Figure 793184DEST_PATH_IMAGE027
的关系：基于裂 纹失稳的临界条件，结合步骤（4）中刀具的最大切削力
Figure 854681DEST_PATH_IMAGE015
以及步骤（1）中高度为
Figure 325983DEST_PATH_IMAGE017
的任 一磨粒的最大切削力
Figure 800826DEST_PATH_IMAGE018
的计算公式，并依据步骤（5）中应力强度因子
Figure 828825DEST_PATH_IMAGE022
与最大亚表层裂 纹深度
Figure 72725DEST_PATH_IMAGE027
和最大额外弯矩
Figure 262398DEST_PATH_IMAGE021
之间的关系模型，建立出口破损的理论厚度
Figure 162221DEST_PATH_IMAGE028
与 最大亚表层裂纹深度
Figure 728331DEST_PATH_IMAGE027
的关系。
裂纹失稳的临界条件可以表示为
Figure 92316DEST_PATH_IMAGE073
。将步骤（4）中最大切削力
Figure 452891DEST_PATH_IMAGE015
的 计算公式（6）和步骤（5）中应力强度因子
Figure 840010DEST_PATH_IMAGE022
的计算公式（10）带入，得到所述出口破损的理 论厚度
Figure 209811DEST_PATH_IMAGE035
与最大亚表层损伤深度
Figure 165653DEST_PATH_IMAGE027
的关系如式（11）所示：
Figure 962708DEST_PATH_IMAGE095
（11）。
（7）建立出口破损的宽度
Figure 571544DEST_PATH_IMAGE029
与刀具的平均切削力
Figure 807353DEST_PATH_IMAGE030
的理论关系：依据 步骤（3）中刀具的平均切削力
Figure 818034DEST_PATH_IMAGE030
与刀具的等效切削深度
Figure 785990DEST_PATH_IMAGE031
的关系，并结合步骤 （2）亚表层裂纹深度
Figure 944439DEST_PATH_IMAGE032
与磨粒的最大切削深度
Figure 656043DEST_PATH_IMAGE019
之间的理论关系模型，综合考 虑刀具的等效切削深度
Figure 521231DEST_PATH_IMAGE033
与最大磨粒的最大切削深度
Figure 660088DEST_PATH_IMAGE034
相等的关系，并依据步骤 （6）中出口破损的理论厚度
Figure 305833DEST_PATH_IMAGE035
与最大亚表层裂纹深度
Figure 555549DEST_PATH_IMAGE027
的关系，并结合步骤 （3）中刀具端面上的磨粒数目
Figure 540823DEST_PATH_IMAGE014
的计算公式，建立出口破损的宽度
Figure 850581DEST_PATH_IMAGE036
与刀具的平均 切削力
Figure 983622DEST_PATH_IMAGE030
及综合影响系数
Figure 37029DEST_PATH_IMAGE037
和
Figure 876809DEST_PATH_IMAGE038
的理论关系。
依据步骤（6）中得到的出口破损的理论厚度
Figure 357469DEST_PATH_IMAGE035
以及综合影响系数
Figure 712227DEST_PATH_IMAGE037
和
Figure 569324DEST_PATH_IMAGE038
计算 得到出口破损的宽度
Figure 263611DEST_PATH_IMAGE036
，实现车用硬脆材料旋转超声孔加工出口破损宽度的预测。
基于出口破损宽度
Figure 915172DEST_PATH_IMAGE036
与出口破损的理论厚度
Figure 22806DEST_PATH_IMAGE035
成正比的关系，并结合综 合影响系数
Figure 418015DEST_PATH_IMAGE037
和
Figure 966808DEST_PATH_IMAGE038
，得到出口破损宽度
Figure 54850DEST_PATH_IMAGE029
的计算公式如式（12）所示：
Figure 384200DEST_PATH_IMAGE075
确定综合影响系数
Figure 583100DEST_PATH_IMAGE077
和
Figure 986399DEST_PATH_IMAGE038
取值的方法：
（A）利用金刚石磨粒刀具在车用硬脆材料上进行旋转超声孔加工实验，利用测力仪分 别测量4种不同工艺条件下刀具的平均切削力
Figure 245342DEST_PATH_IMAGE030
，并借助于式（5）计算得到刀具的等效 切削深度
Figure 64918DEST_PATH_IMAGE066
，根据精度需要，可设置不止4种旋转超声孔加工条件。
（B）测量4种不同工艺条件下所得孔的出口破损宽度
Figure 801930DEST_PATH_IMAGE029
。
（C）将刀具的等效切削深度
Figure 325315DEST_PATH_IMAGE066
代入式（3）计算得到刀具端面上高度为
Figure 755160DEST_PATH_IMAGE078
磨 粒印压作用引起的亚表层裂纹深度
Figure 793523DEST_PATH_IMAGE027
，将亚表层裂纹深度
Figure 334226DEST_PATH_IMAGE027
代入式（11） 计算得到出口破损的理论厚度
Figure 977697DEST_PATH_IMAGE035
。
（D）步骤（A）、（B）的加工工艺条件和测试结果如表1所示，其中，主轴转速
Figure 312863DEST_PATH_IMAGE096
和进 给量
Figure 104101DEST_PATH_IMAGE097
为实验设定的加工工艺参数，在实验过程中，采用测力仪测量刀具的平均切削力
Figure 182916DEST_PATH_IMAGE030
；实验后，测量出口破损的宽度
Figure 680893DEST_PATH_IMAGE029
。将步骤（A）、（B）得到的4组出口破损的理论 厚度
Figure 249278DEST_PATH_IMAGE035
代入式（12）中，通过曲线拟合的方法确定综合影响系数
Figure 465496DEST_PATH_IMAGE077
和
Figure 348001DEST_PATH_IMAGE038
的取值：
Figure 700485DEST_PATH_IMAGE077
为 16.6，
Figure 705350DEST_PATH_IMAGE038
为-1.056。
由此得到本实施例中BK7玻璃旋转超声孔加工过程中出口破损宽度的预测模型。 式（13）所示为出口破损的宽度
Figure 143285DEST_PATH_IMAGE029
与刀具的平均切削力
Figure 563902DEST_PATH_IMAGE030
的理论关系如式（13） 所示：
Figure 36471DEST_PATH_IMAGE098
（13）
表1
Figure 946658DEST_PATH_IMAGE099
（7）利用式（13）可对不同加工工艺条件下BK7玻璃旋转超声孔加工出口破损的宽度进行预测。
此外应理解，在阅读了本发明的上述描述内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种车用硬脆材料旋转超声孔加工出口破损宽度预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）确定刀具端面磨粒的最大切削力
Figure DEST_PATH_IMAGE001
及亚表层裂纹深度
Figure DEST_PATH_IMAGE002
：对刀具端面上高 度为
Figure DEST_PATH_IMAGE003
的任一磨粒，依据压痕断裂力学理论，建立该磨粒的最大切削力
Figure DEST_PATH_IMAGE004
与最大切削 深度
Figure DEST_PATH_IMAGE005
的关系；建立该磨粒印压作用引起的亚表层裂纹深度
Figure 438549DEST_PATH_IMAGE002
与最大切削力
Figure DEST_PATH_IMAGE006
的关系；
（2）建立亚表层裂纹深度
Figure 293373DEST_PATH_IMAGE002
与磨粒的最大切削深度
Figure DEST_PATH_IMAGE007
之间的理论关系模型：对 于高度为
Figure DEST_PATH_IMAGE008
的任一磨粒而言，利用步骤（1）中所得磨粒的最大切削力
Figure DEST_PATH_IMAGE009
与其最大切削深 度
Figure DEST_PATH_IMAGE010
的关系，并结合磨粒印压作用引起的亚表层裂纹深度
Figure 948476DEST_PATH_IMAGE002
与最大切削力
Figure DEST_PATH_IMAGE011
的 关系，建立亚表层裂纹深度
Figure 343685DEST_PATH_IMAGE002
与磨粒的最大切削深度
Figure 158058DEST_PATH_IMAGE010
之间的理论关系模型；
（3）确定刀具端面上的磨粒数目
Figure DEST_PATH_IMAGE012
及刀具的平均切削力
Figure DEST_PATH_IMAGE013
：根据磨粒的形状、磨 粒浓度及刀具的端面面积确定刀具端面上的磨粒数目
Figure 918203DEST_PATH_IMAGE012
；依据刀具的平均切削力
Figure 122920DEST_PATH_IMAGE013
与所有参与切削磨粒的合力相等的关系，并结合磨粒的正态分布特征及刀具端面 上磨粒数目
Figure DEST_PATH_IMAGE014
的计算公式，确定刀具的平均切削力
Figure 259503DEST_PATH_IMAGE013
；
（4）确定刀具的最大切削力
Figure DEST_PATH_IMAGE015
及作用于加工面边缘上的最大额外弯矩
Figure DEST_PATH_IMAGE016
：利用 磨粒高度服从正态分布的特征，并结合步骤（1）中高度为
Figure DEST_PATH_IMAGE017
磨粒的最大切削力
Figure DEST_PATH_IMAGE018
与最 大切削深度
Figure DEST_PATH_IMAGE019
的关系，确定刀具的最大切削力
Figure 866065DEST_PATH_IMAGE015
；依据加工面上的最大压力
Figure DEST_PATH_IMAGE020
与刀具的最大切削力
Figure 794182DEST_PATH_IMAGE015
的关系，确定作用于加工面边缘上的最大额外弯矩
Figure DEST_PATH_IMAGE021
；
（5）建立应力强度因子
Figure DEST_PATH_IMAGE022
与最大亚表层裂纹深度
Figure DEST_PATH_IMAGE023
和最大额外弯矩
Figure DEST_PATH_IMAGE024
之 间的关系模型：基于最大深度裂纹表面的正应力
Figure DEST_PATH_IMAGE025
与最大额外弯矩
Figure 423878DEST_PATH_IMAGE021
的关系，并结 合应力强度因子
Figure DEST_PATH_IMAGE026
与最大亚表层裂纹深度
Figure DEST_PATH_IMAGE027
和最大深度裂纹表面正应力
Figure 98572DEST_PATH_IMAGE025
的 内在关联，建立应力强度因子
Figure 621958DEST_PATH_IMAGE022
与最大亚表层裂纹深度
Figure 989485DEST_PATH_IMAGE027
和最大额外弯矩
Figure 231111DEST_PATH_IMAGE021
之间的关系模型；
（6）建立出口破损的理论厚度
Figure DEST_PATH_IMAGE028
与最大亚表层裂纹深度
Figure 443917DEST_PATH_IMAGE027
的关系：基于裂 纹失稳的临界条件，结合步骤（4）中刀具的最大切削力
Figure 87388DEST_PATH_IMAGE015
以及步骤（1）中高度为
Figure 422555DEST_PATH_IMAGE017
的 任一磨粒的最大切削力
Figure 151476DEST_PATH_IMAGE018
的计算公式，并依据步骤（5）中应力强度因子
Figure 167974DEST_PATH_IMAGE022
与最大亚表层 裂纹深度
Figure 665951DEST_PATH_IMAGE027
和最大额外弯矩
Figure 437598DEST_PATH_IMAGE021
之间的关系模型，建立出口破损的理论厚度
Figure 388237DEST_PATH_IMAGE028
与最大亚表层裂纹深度
Figure 208425DEST_PATH_IMAGE027
的关系；
（7）建立出口破损的宽度
Figure DEST_PATH_IMAGE029
与刀具的平均切削力
Figure DEST_PATH_IMAGE030
的理论关系：依据步骤（3） 中刀具的平均切削力
Figure 489803DEST_PATH_IMAGE030
与刀具的等效切削深度
Figure DEST_PATH_IMAGE031
的关系，并结合步骤（2）亚表层 裂纹深度
Figure DEST_PATH_IMAGE032
与磨粒的最大切削深度
Figure 432351DEST_PATH_IMAGE019
之间的理论关系模型，综合考虑刀具的等 效切削深度
Figure DEST_PATH_IMAGE033
与最大磨粒的最大切削深度
Figure DEST_PATH_IMAGE034
相等的关系，并依据步骤（6）中出口破 损的理论厚度
Figure DEST_PATH_IMAGE035
与最大亚表层裂纹深度
Figure 745652DEST_PATH_IMAGE027
的关系，并结合步骤（3）中刀具端面上 的磨粒数目
Figure 166269DEST_PATH_IMAGE014
的计算公式，建立出口破损的宽度
Figure DEST_PATH_IMAGE036
与刀具的平均切削力
Figure 576522DEST_PATH_IMAGE030
及 综合影响系数
Figure DEST_PATH_IMAGE037
和
Figure DEST_PATH_IMAGE038
的理论关系；
依据步骤（6）中得到的出口破损的理论厚度
Figure 627654DEST_PATH_IMAGE035
以及综合影响系数
Figure 552885DEST_PATH_IMAGE037
和
Figure 777193DEST_PATH_IMAGE038
计算得到出 口破损的宽度
Figure 776373DEST_PATH_IMAGE036
，实现车用硬脆材料旋转超声孔加工出口破损宽度的预测。
2.根据权利要求1所述的车用硬脆材料旋转超声孔加工出口破损宽度预测方法，其特 征在于，步骤（1）中，任一磨粒的最大切削力
Figure 60724DEST_PATH_IMAGE006
与最大切削深度
Figure 473251DEST_PATH_IMAGE007
的关系如式（1）所 示：
Figure DEST_PATH_IMAGE039
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE040
为磨粒的半锥角，
Figure DEST_PATH_IMAGE041
为脆性材料的维氏硬度；
步骤（1）中，高度为
Figure 376616DEST_PATH_IMAGE017
的磨粒印压作用引起的亚表层裂纹深度
Figure 558198DEST_PATH_IMAGE032
与最大切削 力
Figure DEST_PATH_IMAGE042
的关系如式（2）所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE043
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE044
，
Figure DEST_PATH_IMAGE045
为脆性材料的弹性模量，
Figure DEST_PATH_IMAGE046
为 脆性材料的维氏硬度，
Figure 620308DEST_PATH_IMAGE040
为磨粒的半锥角，
Figure DEST_PATH_IMAGE047
为脆性材料的断裂韧性，
Figure DEST_PATH_IMAGE048
为常量，取0.5。
3.根据权利要求1所述的车用硬脆材料旋转超声孔加工出口破损宽度预测方法，其特 征在于，步骤（2）中，所述亚表层裂纹深度
Figure 457814DEST_PATH_IMAGE032
与磨粒的最大切削深度
Figure 23924DEST_PATH_IMAGE019
之间的理 论关系模型如式（3）所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE049
。
4.根据权利要求1所述的车用硬脆材料旋转超声孔加工出口破损宽度预测方法，其特 征在于，步骤（3）中，所述刀具端面上的磨粒数目
Figure DEST_PATH_IMAGE050
按式（4）确定：
Figure DEST_PATH_IMAGE051
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE052
为刀具的端面面积，
Figure DEST_PATH_IMAGE053
，
Figure DEST_PATH_IMAGE054
和
Figure DEST_PATH_IMAGE055
分别为刀具外径 和刀具内径，
Figure DEST_PATH_IMAGE056
为磨粒浓度，
Figure DEST_PATH_IMAGE057
为磨粒的半锥角，
Figure DEST_PATH_IMAGE058
为磨粒密度，
Figure DEST_PATH_IMAGE059
为磨粒的平均尺寸。
5.根据权利要求1所述的车用硬脆材料旋转超声孔加工出口破损宽度预测方法，其特 征在于，步骤（3）中，所述刀具的平均切削力
Figure 14008DEST_PATH_IMAGE030
按式（5）确定：
Figure DEST_PATH_IMAGE060
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE061
，
Figure DEST_PATH_IMAGE062
，
Figure DEST_PATH_IMAGE063
为最大磨粒的高度，
Figure DEST_PATH_IMAGE064
为最小磨粒的高度，
Figure DEST_PATH_IMAGE065
为参与切削的最小磨粒的高度，
Figure DEST_PATH_IMAGE066
为刀具的等效切 削深度。
6.根据权利要求1所述的车用硬脆材料旋转超声孔加工出口破损宽度预测方法，其特 征在于，步骤（4）中，所述刀具的最大切削力
Figure 190561DEST_PATH_IMAGE015
按式（6）确定：
Figure DEST_PATH_IMAGE067
所述最大额外弯矩
Figure 577680DEST_PATH_IMAGE021
的计算公式如式（7）所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE068
其中，
Figure 885165DEST_PATH_IMAGE052
为刀具的端面面积，
Figure 775761DEST_PATH_IMAGE054
和
Figure 572815DEST_PATH_IMAGE055
分别为刀具外径和刀具内径。
7.根据权利要求1所述的车用硬脆材料旋转超声孔加工出口破损宽度预测方法，其特 征在于，步骤（5）中，最大深度裂纹表面的正应力
Figure 119334DEST_PATH_IMAGE025
与最大额外弯矩
Figure 292827DEST_PATH_IMAGE021
的关系如式 （8）所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE069
其中，
Figure 241191DEST_PATH_IMAGE035
为出口破损的理论厚度；
所述应力强度因子
Figure 209147DEST_PATH_IMAGE022
与最大亚表层裂纹深度
Figure 305279DEST_PATH_IMAGE027
和最大额外弯矩
Figure 16883DEST_PATH_IMAGE021
的关 系模型如式（10）所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE070
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE071
。
8.根据权利要求1所述的车用硬脆材料旋转超声孔加工出口破损宽度预测方法，其特 征在于，步骤（6）中，所述出口破损的理论厚度
Figure 819754DEST_PATH_IMAGE035
与最大亚表层损伤深度
Figure 896294DEST_PATH_IMAGE027
的关 系如式（11）所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE072
（11）。
9.根据权利要求1所述的车用硬脆材料旋转超声孔加工出口破损宽度预测方法，其特 征在于，步骤（7）中，所述出口破损宽度
Figure 414476DEST_PATH_IMAGE029
的计算公式如式（12）所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE073
所述出口破损的宽度
Figure 664192DEST_PATH_IMAGE029
与刀具的平均切削力
Figure 649465DEST_PATH_IMAGE030
的理论关系如式（13）所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE074
（13）。
10.根据权利要求1或9所述的车用硬脆材料旋转超声孔加工出口破损宽度预测方法， 其特征在于，确定综合影响系数
Figure DEST_PATH_IMAGE075
和
Figure 834590DEST_PATH_IMAGE038
取值的方法：
（A）利用金刚石磨粒刀具在车用硬脆材料上进行旋转超声孔加工实验，利用测力仪分 别测量多种不同工艺条件下刀具的平均切削力
Figure 905314DEST_PATH_IMAGE030
，并借助于式（5）计算得到刀具的等 效切削深度
Figure 958721DEST_PATH_IMAGE066
，根据精度需要，可设置不止多种旋转超声孔加工条件；
（B）测量多种不同工艺条件下所得孔的出口破损宽度
Figure 798501DEST_PATH_IMAGE029
；
（C）将刀具的等效切削深度
Figure 216844DEST_PATH_IMAGE066
代入式（3）计算得到刀具端面上高度为
Figure DEST_PATH_IMAGE076
磨粒印压 作用引起的亚表层裂纹深度
Figure 509285DEST_PATH_IMAGE027
，将亚表层裂纹深度
Figure 304066DEST_PATH_IMAGE027
代入式（11）计算得到 出口破损的理论厚度
Figure 998352DEST_PATH_IMAGE035
；
（D）将步骤（A）、（B）得到的多组出口破损的理论厚度
Figure 649913DEST_PATH_IMAGE035
代入式（12）中，通过曲线拟合 的方法确定综合影响系数
Figure 632913DEST_PATH_IMAGE075
和
Figure 28122DEST_PATH_IMAGE038
的取值。
CN202010522701.7A 2020-06-10 2020-06-10 一种车用硬脆材料旋转超声孔加工出口破损宽度预测方法 Active CN111428388B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010522701.7A CN111428388B (zh) 2020-06-10 2020-06-10 一种车用硬脆材料旋转超声孔加工出口破损宽度预测方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010522701.7A CN111428388B (zh) 2020-06-10 2020-06-10 一种车用硬脆材料旋转超声孔加工出口破损宽度预测方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111428388A true CN111428388A (zh) 2020-07-17
CN111428388B CN111428388B (zh) 2020-10-20

Family

ID=71551457

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010522701.7A Active CN111428388B (zh) 2020-06-10 2020-06-10 一种车用硬脆材料旋转超声孔加工出口破损宽度预测方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111428388B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113139300A (zh) * 2021-05-14 2021-07-20 南京工程学院 陶瓷微孔致裂强度定量预测方法、装置、计算机设备及存储介质

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1074517B1 (en) * 1999-08-06 2005-12-14 THK Co., Ltd. Scribing apparatus
US7934776B2 (en) * 2007-08-31 2011-05-03 Joy Mm Delaware, Inc. Mining machine with driven disc cutters
CN104759950A (zh) * 2015-04-24 2015-07-08 南京理工大学 超声振动辅助磨削脆性材料沿进给方向切削力预测方法
CN106041660A (zh) * 2016-06-09 2016-10-26 北京工业大学 一种硅晶圆多步变参数粗磨削方法
CN110480429A (zh) * 2019-10-17 2019-11-22 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 车用硬脆材料旋转超声加工亚表层损伤深度在线预测方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1074517B1 (en) * 1999-08-06 2005-12-14 THK Co., Ltd. Scribing apparatus
US7934776B2 (en) * 2007-08-31 2011-05-03 Joy Mm Delaware, Inc. Mining machine with driven disc cutters
CN104759950A (zh) * 2015-04-24 2015-07-08 南京理工大学 超声振动辅助磨削脆性材料沿进给方向切削力预测方法
CN106041660A (zh) * 2016-06-09 2016-10-26 北京工业大学 一种硅晶圆多步变参数粗磨削方法
CN110480429A (zh) * 2019-10-17 2019-11-22 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 车用硬脆材料旋转超声加工亚表层损伤深度在线预测方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
DONGXI LV等: "Mechanistic prediction for cutting force in rotary ultrasonic machining of BK7 glass based on probability statistics", 《ULTRASONICS》 *
DONGXI LV等: "Prediction of subsurface damage depth in rotary ultrasonic machining of glass BK7 with probability statistics", 《THE INTERNATIONAL JOURNAL OF ADVANCED MANUFACTURING TECHNOLOGY》 *
吕东喜等: "基于概率统计的BK7玻璃磨削亚表层损伤深度在线预测技术", 《光学精密工程》 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113139300A (zh) * 2021-05-14 2021-07-20 南京工程学院 陶瓷微孔致裂强度定量预测方法、装置、计算机设备及存储介质
CN113139300B (zh) * 2021-05-14 2023-09-12 南京工程学院 陶瓷微孔致裂强度定量预测方法、装置、计算机设备及存储介质

Also Published As

Publication number Publication date
CN111428388B (zh) 2020-10-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Cao et al. Alumina abrasive wheel wear in ultrasonic vibration-assisted creep-feed grinding of Inconel 718 nickel-based superalloy
CN110480429B (zh) 车用硬脆材料旋转超声加工亚表层损伤深度在线预测方法
Hussein et al. Low-frequency vibration-assisted drilling of hybrid CFRP/Ti6Al4V stacked material
Li et al. Effect tool wear during end milling on the surface integrity and fatigue life of Inconel 718
Nik et al. Ultrasonic-assisted grinding of Ti6Al4 V alloy
Yuan et al. Research into the transition of material removal mechanism for C/SiC in rotary ultrasonic face machining
Sharma et al. Experimental investigation of cutting temperature during drilling of float glass specimen
CN109940459B (zh) 一种高效铣刀损伤的多尺度识别方法
Xiang et al. Investigation of cutting forces, surface integrity, and tool wear when high-speed milling of high-volume fraction SiC p/Al6063 composites in PCD tooling
Arif et al. A study on the effect of tool-edge radius on critical machining characteristics in ultra-precision milling of tungsten carbide
Sonawane et al. Modeling of machined surface quality in high-speed ball-end milling of Inconel-718 thin cantilevers
Heinzel et al. The use of the size effect in grinding for work-hardening
CN111428388B (zh) 一种车用硬脆材料旋转超声孔加工出口破损宽度预测方法
Toh Cutter path orientations when high-speed finish milling inclined hardened steel
CN101795797B (zh) 切削刀片、形成切削刀片的方法及制造切削刀片的方法
Chen et al. An investigation on surface functional parameters in ultrasonic-assisted grinding of soft steel
Sun et al. Effects of axial ultrasonic vibration on grinding quality in peripheral grinding and end grinding of ULE
Zhou et al. FEM simulation-based cutting parameters optimization in machining aluminum-silicon piston alloy ZL109 with PCD tool
Kumar et al. Regression analysis of surface roughness and micro-structural study in rotary ultrasonic drilling of BK7
He et al. Comparison of residual stresses in cryogenic and dry machining of Inconel 718
US20040064945A1 (en) Method of forming turbine blade root
Noma et al. High-precision and high-efficiency micromachining of chemically strengthened glass using ultrasonic vibration
Tang et al. Experimental investigation of the three-component forces in finish dry hard turning of hardened tool steel at different hardness levels
Gao et al. Effects of different chamfered cutting edges of micro end mill on cutting performance
CN1558816A (zh) 一种改进的工具及其制造方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant