反应烧结碳化硅材料磨削去除机理和加工参数优化研究

论文摘要

为了降低加工成本,探索快速、高效加工反应烧结碳化硅（RBSiC）高性能光学材料的有效方法,本文通过材料的组成及性能测试,系统的研究了RBSiC材料的磨削去除机理和磨削表面完整性,分析了材料强度受磨削、退火和抛光处理的影响,优化了磨削加工参数,具体工作如下:对RBSiC材料进行了物相分析,并测试了材料的各项热性能和力学性能。RBSiC材料是由α-SiC和Si组成的多晶材料,Si相分散在SiC相间。性能测试结果显示,RBSiC材料较为致密,热性能良好,具有较高的室温抗弯强度和弹性模量,极高的硬度,断裂韧性较低,适合作为空间反射镜片。结合单颗磨粒临界切削深度计算,通过扫描电镜、原子力显微镜和光学显微镜等手段对磨削表面的观测,系统地研究了RBSiC材料的去除机理。RBSiC材料以脆性断裂和塑性切除两种机理去除,表现为微破碎、穿晶断裂、撕裂以及犁耕等去除方式。根据粗糙度测量与表面SEM观察,并结合磨削力及磨削比能方程,分析了加工参数对磨削表面粗糙度和表面形貌的影响。加工参数中砂轮轴向进给增加,使磨削力增加,粗糙度增大,断裂去除模式所占的比例增加,磨削比能降低;工作台转速对粗糙度的影响趋势不明显;光刀能够显著降低表面粗糙度,但也会使磨削中引入的亚表面裂纹扩展,增加粗糙度。累计去除厚度与砂轮轴向进给的交互作用对粗糙度的影响很大。通过正交试验对磨削加工工艺进行优化,得出的最佳加工参数为轴向进给0.9μm/s,工作台转速2.1转/分,光刀1分钟,累计去除厚度0.1mm后修整砂轮。根据对磨削后表面和截面的观察以及硬度的测量结果,建立了RBSiC材料磨削表面损伤层组织特征。磨削表面损伤层含有塑性变形层、破碎层和裂纹层,且随轴向进给增大,磨削力增加,损伤层厚度增加。使用X射线衍射测量以及有限元模拟方法,研究了磨削后表面残余应力状态。测量结果显示,残余应力具有很强的方向依赖性,同样轴向进给,平行工作台半径放置进行磨削,试样的残余压应力数值大,残余压应力对控制小裂纹开裂的作用较明显;抛光和退火能够释放残余压应力,800℃1h退火后残余压应力数值极低。对磨削后热应力和机械残余应力的有限元分析显示,在磨削RBSiC材料中,热载荷作用小,随轴向进给增大,机械载荷和热载荷作用降低,机械载荷降低速度快于热载荷。根据断裂力学和韦伯统计的方法,分析了磨削、抛光及退火后的裂纹和残余应力对强度的影响。轴向进给增大,磨削试样的特征强度下降,同样轴向进给,垂直工作台半径放置磨削的试样受磨削引入长直裂纹及较低残余压应力的影响,强度低。800℃1h的退火释放了表面残余压应力,但由于退火作用使裂纹尺寸减小,特征强度与磨削试样相近,都大于抛光试样。RBSiC材料性能、去除机理及强度可靠性分析对反射镜材料性能及加工工艺的研究具有重要的实用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题背景和意义
• 1.2 空间反射镜材料的国内外研究现状
• 1.2.1 空间反射镜材料的性能和特点
• 1.2.2 SiC 反射镜材料的制造及应用
• 1.2.3 SiC 反射镜的镜面加工
• 1.3 本文主要研究内容
• 第2章 材料及实验方法
• 2.1 材料的制备和磨削试验设计
• 2.1.1 材料制备
• 2.1.2 实验设备
• 2.1.3 磨削加工参数设计及试样制备
• 2.2 组分及磨削表面形貌分析
• 2.2.1 成分及相组成分析
• 2.2.2 表面/亚表面形貌观察方法
• 2.3 材料物理性能测试
• 2.3.1 密度测试及硅含量计算
• 2.3.2 热物理性能测试
• 2.3.3 力学性能测试
• 2.4 磨削表面/亚表面损伤表征及分析
• 2.4.1 磨削表面粗糙度分析
• 2.4.2 磨削后的亚表面损伤分析
• 2.4.3 X 射线衍射方法测量表面残余应力
• 第3章 RBSiC 材料的结构、性能及去除机理研究
• 3.1 引言
• 3.2 磨削前后的成份及组织结构分析
• 3.2.1 RBSiC 材料的晶体结构
• 3.2.2 RBSiC 材料的微观组织
• 3.2.3 磨削后表面成分XPS 分析
• 3.3 RBSiC 材料的性能测试
• 3.3.1 热物理性能测试
• 3.3.2 力学性能测试
• 3.4 RBSiC 材料的磨削去除机理
• 3.4.1 磨削特征的光学显微镜观察
• 3.4.2 磨削特征的SEM 观察
• 3.4.3 磨削特征的原子力显微镜观察
• 3.5 去除机理的断裂力学分析
• 3.5.1 临界切削深度的计算
• 3.5.2 单个磨粒切削深度的计算
• 3.6 本章小结
• 第4章 RBSiC 材料磨削参数优化及损伤层研究
• 4.1 引言
• 4.2 磨削条件对磨削力的影响
• 4.3 砂轮轴向进给对表面粗糙度、形貌和比磨削能的影响
• 4.3.1 轴向进给对Ra 的影响
• 4.3.2 轴向进给对表面形貌的影响
• 4.3.3 轴向进给对比磨削能的影响
• 4.4 工作台转速对表面粗糙度及形貌的影响
• 4.4.1 工作台转速对Ra 的影响
• 4.4.2 工作台转速对表面形貌影响的SEM 分析
• 4.5 光刀时间对表面粗糙度及形貌的影响
• 4.5.1 光刀时间对Ra 的影响
• 4.5.2 光刀作用表面的SEM 分析
• 4.6 累计去除厚度对粗糙度Ra 的影响
• 4.7 磨削参数的优化
• 4.8 磨削引起的表面/亚表面损伤
• 4.8.1 表面破碎层分析
• 4.8.2 亚表面裂纹分析
• 4.8.3 磨削表面的硬度
• 4.8.4 磨削损伤层组织特征
• 4.9 本章小结
• 第5章 加工处理条件对材料强度的影响
• 5.1 引言
• 5.2 磨削加工条件对强度的影响
• 5.2.1 不同磨削加工条件下的表面形貌及粗糙度
• 5.2.2 不同轴向进给下表面残余应力的有限元模拟
• 5.2.3 X 射线衍射法测量表面残余应力
• 5.2.4 弯曲强度受不同加工条件的影响
• 5.3 磨削、抛光和退火处理对强度的影响
• 5.3.1 不同处理下的表面形貌及粗糙度
• 5.3.2 处理条件对残余应力的影响
• 5.3.3 残余应力和裂纹对强度的影响
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历