（机械制造及其自动化专业论文）基于分形理论的玻璃切削加工研究.pdf

摘要 摘要 目前玻璃零件的加工方法一般为：粗磨、精磨、研磨及抛光，这种加工方法 精度高、效率低、生产周期长，成本高，加工过程不易实现计算机自动控制。而 切削加工方法具有效率高、成本低等特点，若在满足一定精度的基础上，对玻璃 进行切削加工，不仅能极大提高生产效率，而且对其它脆性材料的加工方法提供 了新的思路和途径，丰富了脆性材料加工的理论研究，同时也扩大了切削加工方 法的应用范围，因此研究玻璃切削加工具有重要的理论和现实意义。 分形理论是近年来才兴起的一门学科，它是非线性科学研究中十分活跃的一 个分支，为解决复杂的非线性问题提供了一种行之有效的方法。玻璃等脆性材料 的切削加工是一个不连续、复杂、非线性的变化过程，在玻璃切削实验中发现切 削力的变化呈非稳定状态。本文基于分形理论及实验研究了切削用量和刀具前、 后角对玻璃切削加工过程的影响，即切削力平均值及切削力动态分量分形维数和 表面粗糙度r 。随不同切削速度、进给量和切削深度的变化规律，以及不同刀具前 角和后角对切削力平均值及其动态分量分形维数和表面粗糙度民的影响。 基于前人提出的玻璃切削过程模型，本文通过改变切削深度或进给量，将玻 璃切削过程模型分为三个独立的阶段：小块破碎切除阶段、大小块破碎去除阶段 和大块破碎切除阶段。并分析不同阶段的切削力动态分量的分形维数和工件表面 粗糙度r 。的大小，据此提出了用切削力动态分量分形维数和表面粗糙度r 。值来界 定玻璃切削过程各个阶段的方法。 最后通过切削玻璃和4 5 钢的实验对比，研究了刀具的不同磨损形式及其机 理，发现切削玻璃时，刀具从初期磨损到正常磨损直至磨损失效的过程中，其切 削力的功率谱图的峰值变化较明显，而且切削力动态分量分形维数也有一定的变 化规律；但切削4 5 钢时，在刀具磨损的过程中，其切削力的功率谱的幅值和其分 形维数的变化不是很明显。 关键词：玻璃；分形；切削力；表面粗糙度；刀具磨损 华南理工大学工学硕上学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y s ，r o u g hg r i n d i n g ，r e f i n i n gg r i n a i n g ，l a p p e df i n i s h i n ga n dp o l i s h i n ga r e t h ea v a i l a b l em e t h o d sf o rm a c h i n i n gg l a s s ；n o to n l yl o we f f i c i e n c y , l o n gp r o d u c t i o n c y c l ea n dh i 曲c o s t , b u tt f i 2 9 hw o r k i n ga c c u r a c ya n dc o m p u t e rc o n t r o lc a nn o tb e i n g e a s i l yg a i nb yt h i sm e t h o d s g l a s sc u t t i n gc a l lh a n d l et h em e n t i o n e dd e f e c t s ，s oi ti so f g r e a ti m p o r t a n c et os t u d ys u c hm e t h o d f r a c t a lt h e o r y , w h i c hi sa na c t i v eb r a n c ho fn o n 1 i n e a rs c i e n c e ，h a sb e e nc o m e i n t ob e i n gi nr e c e n ty e a r s ，a n dp r o v i d e sa ne f f e c t i v ew a yf o rc o m p l i c a t e dn o n 1 i n e a r p r o b l e m t h ep r o c e s so fc u t t i n gg l a s si sn o tac o n t i n u o u so n e ，i ti san o n - l i n e a rp r o c e s s ， a n di nd i f f e r e n tt i m e ，t h ec u t t i n gf o r c ei sd i f f e r e n t ；t h ea p p l i c a t i o no ff r a c t a lt h e o r yt o t h i sp r o c e s si sh e l p f u l h o w c u t t i n gq u a n t i t y , c u r e r sr a k ea n g l e ，a n dc l e a r a n c ea 咀ea f f e c t i n gt h ec u t t i n g p r o c e s sa r es t u d i e db yu s i n gf r a c t a lt h e o r y , a sw e l la sh o wc u t t i n gv e l o c i t y , f e e da n d c u t t i n gd e p t ha f f e c t ss u r f a c er o u g h n e s s ，c u r i n gf o r c ea n di t sf r a c t a ld i m e n s i o n b y c h a n g i n gr a k ea n g l ea n dc l e a r a n c ea n g l e ，t h ea f f e c t i o no fa f o r e m e n t i o n e df a c t o r so n c u t t i n gf o r c ea n di t sd i m e n s i o nw a sf o u n d a c c o r d i n gt ot h ee x i s t i n gm o d e lo fg l a s s c u t t i n g , v i ac h a n g i n gc u t t i n gd e p t ha n df e e d ，t h ec u t t i n gm o d e lw a sd i v i d e di n t ot h r e e r e s p e c t i v ep a r t s ：s m a l lp i e c e s c u t t i n g ，m e d i u mp i e c e s c u t t i n ga n db i gp i e c e s c u t t i n g ， a n da n a l y z e st h ef r a c t a ld i m e n s i o na n dr o u g h n e s si nd i f f e r e n tp a r t sw a sa n a l y s e d d i f f e r e n tp r o c e s si ng l a s sc u t t i n gw a si n s p e c t e db yf r a c t a ld i m e n s i o no fc u t t i n gf o r c e a n ds u r f a e er o u g h n e s s c o m p a r i n gt h ew e a r i n gp a t t e ma n dw e a r i n gt h e o r yo fc u t t i n g g l a s sw i t ht h a to fc u t t i n g4 5 4s t e e l ，i ti st h ed i s t i n c ta n dr e g u l a rc h a n g e so fc u t t e r s p o w e rs p e c t r u md i a g r a ma m p l i t u d ea n do fc u t t e r sf r a c t a ld i m e n s i o nw a sf o u n di nt h e p r o c e s so fc u t t e r se a r l yw e a rt on o r m a lw e a rt h e nt ot o t a lw e a r , b u ti nt h ep r o c e s so f c u t t i n g4 5 。s t e e l ，t h et w oc h a n g e sa r en o ts oe v i d e n t k e y w o r d ：# a s s ；f r a c t a l ；c u r i n gf o r c e ；s u r f a c er o u g h n e s s ；t o o lw e a r 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其它个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：宝确 日期：狮钿如日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 半确 导师签名：乡易鳐 日期2 。诉白垢 日期：k 巾i 军多月巧自 第一章绪论 第一章绪论 随着科学技术与生产的发展，脆硬材料( 如工程陶瓷、光学玻璃等) 的应用 日趋广泛。由于脆硬材料的脆性大，加工时( 尤其是切削时) 极易发生断裂，因 此其加工机理比塑性金属材料加工更为复杂。目前对脆硬材料加工机理对理论研 究尚不够深入与成熟，积极开展这方面的研究对于指导实际生产具有重要意义。 本论文通过对典型的脆性材料玻璃的切削加工试验，从切削力信号的分形特 征方面对脆硬材料的切削加工机理进行了分析与研究，研究成果对切削加工脆硬 材料具有一定的实际指导意义。 1 1 课题的来源及意义 在当今科学技术飞速发展的时期，玻璃已成为高科技领域不可缺少的材料， 在光通讯、光电子、激光、信息存储、宇航、微电子及生命科学领域得到越来越 广泛的应用。由于尖端科技的不断发展，需要越来越多的高质量的玻璃制品， 如激光与红外线光学晶体、工业及民用的石英玻璃等。玻璃的用途虽然十分广泛， 但玻璃硬度高，脆性大，在已加工表面易形成裂纹和凹坑，对其加工很困难k 2 1 。 目前对于高精密的光学玻璃零件的加工方法一般为：粗磨、精磨、研磨及抛光。 这种加工精密玻璃零件的磨削、研抛效率低、生产周期长，成本高；加工精度不 易保证，加工过程不易实现计算机的自动化控制生产，对于非球曲面等复杂的表 面只能靠手工磨削，甚至有些无法加工。因此，研究对玻璃的高效、精密的加工 方法的任务日益迫切的呈现在人们面前。 同时，由于脆性材料的强度高、脆性大，在加工的过程中常出现刀具的崩刃 现象，这样就很难保证工件的表面加工质量。据统计，加工中心的故障停机时间 中平均6 8 以上源于刀具失效1 3 1 。随着现代加工技术向着自动化、柔性化和集 成化的方向发展，由人工直接参与生产监控的作用越来越少，使得生产的加工效 率和质量大大提高。但要实现生产加工的自动化、无人化，就必须要开发出能实 现实时在线监测刀具磨损状况的系统。目前，对于刀具磨损、破损监测机理的研 究还没有很满意的结论，这对应实现刀具的在线实时监控无疑是一个障碍。而脆 性材料在加工过程中的受力情况远比塑性材料复杂，对于脆性材料的加工过程中 的刀具磨损在线监控系统的研究意义更大。 由此可见，对玻璃等脆性材料的切削加工方法的研究与探索具有重要的意 义。它将带来巨大的经济效益，同时对传统的金属等塑性材料的切削理论做一个 更深入的补充与完善。 华南理工大学t 学顾十学位论文 1 2 国内外研究概述及发展趋势 玻璃是一种典型的脆性材料，具有脆性高、硬度大的特点。所以在玻璃的切 削加工过程中，通常是与脆性切除为主，这就导致了已加工表面的裂纹和凹坑， 对工件的表面质量影响很大，由于加工过程中的形成的微裂纹还将缩短产品的使 用寿命。可见，研究脆性材料在加工过程中的裂纹的产生和扩展规律具有重要的 意义。因此，首先要研究在静态压印下脆性材料的裂纹产生和扩展规律，这对进 一步研究玻璃的切削具有重要的意义。在下文中，作者在简要回顾与总结前人在 玻璃的压印和切削方面的研究成果的基础上，提出了自己在这方面的见解和主张。 对于玻璃的印压研究，b rl a w n 和m v s w a i n 于1 9 7 0 年初开始对玻璃进行 印压试验研究，他们用点压头( 维氏金刚石压头) 对普通钠钙玻璃、石英玻璃及 硅等脆性的印压进行了显微观察，描述了一个完整的加载和卸载循环裂纹的产生 和扩展过程“1 ；同时，b rl a w n 和t r w i l s h a w 对球压头印压脆性材料也做了研 究“1 ，得到了加载和卸载的循环中脆性材料变形和裂纹的产生和扩展规律。 m v s w a in 对点压头( 维氏硬度压头) 刻划玻璃等典型脆性材料试件表面进行了 试验研究1 ，压头刻划方向和棱锥对角线平行。试验发现，在低载荷区( p 0 0 5 n ) ， 没有出现任何的裂纹，但留下了光滑的塑性刻痕；在中载荷区( 0 1 n l 时为0 ，这里l 是相关长度。与实验的结果的对比可以通过倒易空间 函数f ( q ) = q ( s ( q ) 一1 ) 来进行，f ( q ) 用修正的正弦转换来计算： l f ( q ) = r g ( r ) f ( r ) s i n ( q r ) d r ( 2 1 ) 其中 g 。( r ) = 4 f p ( r ) 一po o ( 2 2 ) 这里，p 。( r ) 是与r 相关的原子数密度；pi 是晶体的平均原子密度，选用的 典型的l 值约l n m 。 3 “次晶态”模型 p h i l l i p s “6 1 于1 9 8 2 年，h o s e m a n n ”7 1 等人于1 9 8 6 ，都已经用“次晶态”来 描述他们的非晶态固体模型。h o s e m a n n 及其合作者的观点是更普遍适用。模型建 立在观测的基础上，如果无序可以用晶面间距d 。来表示，即： ( 2 3 ) 其中n 是晶面的数目，那么从实验上来看，关系式n 2 9 = a + ，且a + = o 1 5 ，对 大多数部分有序材料而言，保持一个较好的近似值。 3 非结晶有序模型 一 r篷 1一 ， 旷 华南理工大学工学硕士学位论文 1 “曲面