本發(fā)明涉及一種單顆磨粒壓痕區(qū)域平均接觸應力的計算方法。尤其涉及一種超聲振動單顆磨粒壓痕區(qū)域平均接觸應力的計算方法。

背景技術：

目前，隨著科技的發(fā)展對硬脆性材料、難加工材料和新型先進材料的需求日益增多，對關鍵零件的加工效率、加工質(zhì)量和加工精度提出了更高的要求。傳統(tǒng)磨削方法因無法避免產(chǎn)生較大的磨削力以及磨削熱，引起工件表面/亞表面損傷以及砂輪壽命降低等一系列問題。尤其在精密與超精密加工領域，這些加工缺陷的存在嚴重制約著零件加工精度及加工效率的提高。為解決這些問題，超聲振動被引入到磨削加工中。國內(nèi)外廣泛研究證實超聲振動磨削在提高材料去除率、提高加工表面質(zhì)量與加工精度、降低工件表面損傷以及延長砂輪壽命等方面具有顯著優(yōu)勢。但施加超聲振動對硬脆性材料加工的去除機理尚不明確。根據(jù)壓痕斷裂力學理論，壓痕區(qū)域的平均接觸應力與最終壓痕去除形狀有密切關系，對揭示超聲振動磨削去除機理具有積極意義。為了研究超聲振動磨削的去除機理，超聲振動單顆磨粒壓痕實驗是一種可行的材料去除研究方法，但是在超聲振動單磨粒壓痕實驗過程中，無法和傳統(tǒng)壓痕實驗一樣，獲得準確的壓痕區(qū)域特征尺寸，因此難以計算超聲振動單顆磨粒壓痕區(qū)域(本文以后稱為壓痕區(qū)域)平均接觸應力，造成無法求解超聲振動單顆磨粒壓痕應力場方程的問題，限制了超聲振動磨削去除機理的研究。因此，為了調(diào)查壓痕區(qū)域的特征尺寸，計算平均接觸應力，推動超聲振動輔助磨削加工技術的去除機理研究，本發(fā)明設計了一種計算超聲振動單顆磨粒壓痕區(qū)域平均接觸應力的計算方法。

技術實現(xiàn)要素：

由于超聲振動的影響以及單顆金剛石磨粒具有隨機的幾何形狀，導致材料表面產(chǎn)生的壓痕變形區(qū)域的幾何形狀不規(guī)則，并非標準維氏壓痕實驗形成的四邊形變形區(qū)域，無法得到符合定義的特征尺寸d，因此本發(fā)明設計了一種超聲振動單顆磨粒壓痕區(qū)域平均接觸應力pm的計算方法。

本發(fā)明的技術方案是：一種超聲振動單顆磨粒壓痕區(qū)域平均接觸應力的計算方法，其步驟為：

步驟一：測量超聲振動單顆磨粒壓痕變形區(qū)域?qū)嶋H面積值sv：

用光學相機以1000倍放大倍數(shù)拍攝壓痕變形區(qū)域的照片，通過壓痕變形區(qū)域的照片測得壓痕變形區(qū)域的實際面積值sv；

步驟二：計算虛擬圓的面積s：

在壓痕變形區(qū)域外作一個包含該壓痕區(qū)域最小的虛擬圓，虛擬圓半徑為dc,計算出虛擬圓的面積值

步驟三：計算面積系數(shù)μ：

實際面積值sv與虛擬圓的面積值的比值為面積系數(shù)μ，

步驟四：判斷面積系數(shù)μ<70％是否成立：

如果成立，將壓痕區(qū)域的實際面積值sv帶入公式(1)中，計算出平均接觸應力pm；

式中：αv是與壓頭幾何形狀有關的無量綱常數(shù)；

如果不成立,面積系數(shù)μ≥70％,將虛擬圓的面積值s帶入公式(2)，計算出平均接觸應力pm；

式中：αc是與壓頭幾何形狀有關的無量綱常，可取為0.5。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明的方法可以計算出超聲振動單顆磨粒壓痕區(qū)域(本文以后稱為壓痕區(qū)域)平均接觸應力，可以解決求解超聲振動單顆磨粒壓痕應力場方程的問題，推動超聲振動輔助磨削加工技術的去除機理研究。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例的超聲振動單顆磨粒壓痕實驗裝置示意圖；

圖2是本發(fā)明實施例超聲振動單顆磨粒壓痕區(qū)域平均接觸應力計算方法的流程示意圖；

圖3是本發(fā)明實施例壓痕區(qū)域放大1000倍的照片的示意圖；

圖4是本發(fā)明實施例在壓痕區(qū)域外作一個包含該壓痕區(qū)域最小的虛擬圓示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明作進一步闡述。

如圖1所示，本發(fā)明的壓痕實驗在超精密數(shù)控平面磨床上進行，實驗試件8用石蠟固定在超聲振動桿6上，力傳感器4固定在底座3下并在底座3上固定左、右支架7，5，單顆磨粒9用萬能膠將固定在夾具1前端的圓錐體處，夾具1垂直固定在砂輪架2上，x軸和z軸方向保持不動，通過y軸方向上的進給實現(xiàn)單顆磨粒9在實驗試件8上的壓痕過程。

由于超聲振動的影響以及單顆金剛石磨粒具有隨機的幾何形狀，導致材料表面產(chǎn)生的壓痕變形區(qū)域幾何形狀不規(guī)則，并非標準維氏壓痕實驗形成的四邊形變形區(qū)域，無法得到符合定義的特征尺寸d，因此本發(fā)明設計了一種超聲振動單顆磨粒壓痕區(qū)域平均接觸應力pm的計算方法。

如圖2所示，超聲振動單顆磨粒壓痕區(qū)域平均接觸應力計算方法的流程示意圖所示，其具體步驟如下：

步驟一：測量超聲振動單顆磨粒壓痕變形區(qū)域?qū)嶋H面積值sv：

用光學相機以1000倍放大倍數(shù)拍攝壓痕變形區(qū)域的照片，如圖3所示，由此圖3測得圖示壓痕變形區(qū)域a的實際面積值sv；

步驟二：計算虛擬圓的面積s：

在壓痕變形區(qū)域a外作一個包含該壓痕區(qū)域最小的虛擬圓，如圖4所示，虛擬圓半徑為dc,計算出虛擬圓的面積值

步驟三：計算面積系數(shù)μ：

實際面積值sv與虛擬圓的面積值的比值為面積系數(shù)μ，

步驟四：判斷面積系數(shù)μ<70％是否成立：

如果成立，將壓痕區(qū)域的實際面積值sv帶入公式(1)中，計算出平均接觸應力pm。

式中：αv是與壓頭幾何形狀有關的無量綱常數(shù)；

如果不成立,面積系數(shù)μ≥70％,將虛擬圓的面積值s帶入公式(2)，計算出平均接觸應力pm。

式中：αc是與壓頭幾何形狀有關的無量綱常，可取為0.5。