硬脆材料孔加工出口破损形成机理

吕东喜; 陈刚; 赵德刚; 高聪; 徐海兵; 郭启涛; 祝颖丹

doi:10.37188/OPE.20212901.0110

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硬脆材料孔加工出口破损形成机理

微纳技术与精密机械 | 更新时间：2021-02-04

- 硬脆材料孔加工出口破损形成机理
- Formation mechanism of exit chipping in drilling hard-brittle material
- 光学精密工程 2021年29卷第1期页码：110-116
- 作者机构：
  
  1.中国科学院宁波材料技术与工程研究所浙江省机器人与智能制造装备技术;重点实验室，浙江宁波 315201
  2.宁波远景汽车零部件有限公司，浙江宁波 315327
  3.重庆长安汽车股份有限公司，重庆 400023
- 作者简介：
  
  [ "吕东喜（1983-），男，河北沧州人，助理研究员，2009年、2014年于哈尔滨工业大学分别获得硕士、博士学位，主要从事旋转超声加工及磨削技术与工艺等方面的研究。E-mail： dongxi_lv@yahoo.com" ]
  [ "祝颖丹（1977-），女，湖北咸宁人，研究员，博士生导师，1999年、2002年、2005年于武汉理工大学分别获得学士、硕士、博士学位，现为中国科学院宁波材料技术与工程研究所复合材料智能制造与装备团队负责人，主要从事复合材料机械加工工艺、复合材料智能制造与装备等方面的研究。E-mail： y.zhu@nimte.ac.cn" ]
- 基金信息：
  
  浙江省自然科学基金资助项目(LY18E050028);宁波市科技创新2025重大专项(2019B10118;2019B10112);宁波市自然科学基金资助项目(2019A610156;2019A610139;2019A610146)
- DOI：10.37188/OPE.20212901.0110
  中图分类号： TG663
- 收稿日期：2020-06-29，
  
  修回日期：2020-08-21，
  
  纸质出版日期：2021-01-15
- 稿件说明：
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吕东喜,陈刚,赵德刚等.硬脆材料孔加工出口破损形成机理[J].光学精密工程,2021,29(01):110-116.

LÜ Dong-xi,CHEN Gang,ZHAO De-gang,et al.Formation mechanism of exit chipping in drilling hard-brittle material[J].Optics and Precision Engineering,2021,29(01):110-116.
吕东喜,陈刚,赵德刚等.硬脆材料孔加工出口破损形成机理[J].光学精密工程,2021,29(01):110-116. DOI： 10.37188/OPE.20212901.0110.

LÜ Dong-xi,CHEN Gang,ZHAO De-gang,et al.Formation mechanism of exit chipping in drilling hard-brittle material[J].Optics and Precision Engineering,2021,29(01):110-116. DOI： 10.37188/OPE.20212901.0110.

摘要

为研究BK7玻璃孔加工过程中出口破损的形成机理，本文在对破损形貌进行显微观测的基础上，基于断裂力学理论，分析了工件加工面所受载荷随裂纹扩展过程的演变规律及其对出口破损形成过程的影响；采用光滑质点流体动力学法对出口破损的形成过程进行了数值模拟，研究了出口破损的形成机理。结果表明：出口破损可分为初始裂纹区及扩展裂纹区，挤压载荷和弯矩的耦合作用驱使初始裂纹沿圆周方向扩展，显著增加了裂纹的倾斜角度和破损宽度，导致破损表面产生大量散射状条纹；借助光滑质点流体动力学法实现了对出口破损形成及脱落过程的数值模拟，发现初始裂纹贯穿整个未穿透厚度，刀具的瞬时切削力减小了78%；并且随着裂纹间歇性地沿圆周方向扩展，刀具切削力呈现出剧烈的周期性波动特征。

Abstract

This study aims to investigate the formation mechanisms of hole exit chipping in diamond drilling of BK7 glass. Based on the microscopic observations of the chipping morphology and fracture mechanics theory， the evolution of extrusion load exerted on the machining surface with crack propagation was explored and its effects on the chipping formation was analyzed. The smooth particle hydrodynamic method （SPH） was applied to numerically simulate the formation process of exit chipping to investigate its formation mechanisms. Results suggest that the exit-chipping morphology could be divided into the incipient crack area and extended crack area. The coupling effects of the extrusion load and bending moment promoted the incipient crack extended in the circumferential direction， which significantly increased the inclination angle of the crack and width of exit chipping， thereby resulting in the occurrence of scattered stripes on the chipping surface. With the SPH method， the simulation of the chipping formation and shedding processes was realized， revealing that the penetration of incipient crack through the entire unpenetrated thickness could reduce the instantaneous cutting force of the tool by 78%. In addition， the cutting force of tool presented periodic fluctuation characteristics with the circumferential progradation of the incipient crack.

关键词

Keywords

references

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