基于离散元法的al2o3tic陶瓷材料加工特性研究-study on processing characteristics of al 2o 3 tic ceramic materials based on discrete element method.docx

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基于离散元法的al2o3tic陶瓷材料加工特性研究-study on processing characteristics of al 2o 3 tic ceramic materials based on discrete element method

原创性声明本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师指导下,进行研究工作所取得的成 果。除文中已经注明引用的内容外,本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公 开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人 和集体,均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名: 日期: 关于学位论文版权使用授权的说明本人完全了解河北工业大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。同意如下各项内 容:按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本;学校有权保存学位论文的印刷本和 电子版,并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文;学校有权提供目录检索 以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务;学校有权按有关规定向国家有关部门或者 机构送交论文的复印件和电子版;在不以赢利为目的的前提下,学校可以适当复制论文的 部分或全部内容用于学术活动。(必威体育官网网址的学位论文在解密后适用本授权说明):学位论文作者签名日期: 导师签名 :日期:基于离散元法的 Al2O3/TiC 陶瓷材料加工特性研究摘 要Al2O3 基陶瓷具有高硬度,耐磨性、耐高温和耐腐蚀性能好,其作为刀具材料得到广 泛地应用。陶瓷属于硬脆性材料,加工性能差,加工难度比较大。根据陶瓷材料的加工特 性选择合理的加工参数,降低陶瓷材料在加工过程所产生的裂纹损伤是提高加工精度的难 点和关键点。本文以新型 Al2O3/TiC 陶瓷材料为研究对象,用离散元法对 Al2O3/TiC 陶瓷 材料的压痕开裂过程、微切削过程进行了模拟研究。根据离散元数值模拟动态加工过程中 裂纹的生成扩展、切削力的变化及加工后工件的表面质量,分析了 Al2O3/TiC 陶瓷材料在 不同加工工艺条件下的加工特性。本文基于离散元法的基本原理,应用 PFC2D 软件建立了描述 Al2O3/TiC 陶瓷材料力 学性能的 BPM 模型,并采用单轴压缩试验、三点弯曲试验及断裂韧性试验过程的离散元 模拟对 BPM 模型进行了校准,确定了与 Al2O3/TiC 陶瓷材料主要力学性能相匹配的离散 元模型。在所建立的模型基础上对 Al2O3/TiC 陶瓷材料的压痕开裂过程和微切削过程进行 了模拟。压痕开裂过程的模拟结果证明:在静态压痕实验加载过程中,尖锐压头比钝性压 头更容易使材料发生塑性变形;而加载速度和摩擦因数对裂纹扩展影响不大。论文考虑切削过程中粘性作用和切削温度的影响,建立了 Al2O3/TiC 陶瓷微切削模型。 分析不同的切削条件对微切削过程影响,模拟结果表明:切削深度对陶瓷材料的加工表面 质量影响最大,其次是进给速度、刀具前角和切削刃钝圆半径。最后在自主研发的实验平台,使用金刚石涂层的球头铣刀对 Al2O3/TiC 陶瓷材料进行 干式高速微铣削槽实验。用电子扫描显微镜(SEM)观察不同的进给速度、铣削深度和 球头直径加工后工件表面质量,利用测力仪对铣削力的大小及其变化进行记录。通过分析 不同的铣削参数对刀具磨损和工件表面/亚表面裂纹损伤,对比离散元数值模拟结果和实 验结果,证明了离散元法模拟 Al2O3/TiC 陶瓷材料加工裂纹的有效性;为以后优化加工工 艺参数,提高加工效率提供了理论依据;也为研究陶瓷刀具材料的加工特性提出一种新的 思路。关键词:Al2O3/TiC 陶瓷,压痕开裂,切削加工,裂纹,离散元模拟RESEARCH ON THE MACHINING CHARACTERISTICS OF Al2O3/TiC CERAMIC MATERIALS BASED ON THE DISCRETE ELEMENT METHODABSTRACTAl2O3 based ceramic has been widely used as a kind of tool materials because of its properties of high hardness, wear resistance, heat resistance and corrosion resistance. Ceramic is a kind of hard and brittle material, which is poor in processing performance and is difficult to process. Choosing proper processing parameters according to the properties of ceramic materials and decreasing the crack damage of ceramic during machining are the difficult and critical points

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