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脆性材料如光学玻璃和工程陶瓷等具有超高的机械性能和结构性能如高强度、耐高温以及优良的抗腐蚀性能,已经被广泛应用于半导体、医疗以及微电子机械系统等领域。然而,由于脆性材料也同时具有高硬度和易脆性等特点,其有效加工方法和加工成本控制是目前的脆性材料在应用方面的难题。目前来说,磨削是传统加工方式中加工脆性材料最为有效的方法。为获得脆性材料良好的表面完整性和脆性材料的高效低损伤甚至无损伤的磨削加工,本论文系统研究了脆性材料磨削过程中单颗磨粒与工件之间的作用规律。基于单颗粒磨削理论分析模型和压痕断裂力学,建立了在脆性材料磨削过程中单颗磨粒的磨削力以及工件亚表面损伤深度的理论预测模型,同时深度分析了磨削参数对单颗磨粒的磨削力和工件亚表面损伤深度的影响规律。此外通过建立单颗粒磨削过程的有限元仿真分析模型,验证了脆性材料磨削中单颗磨粒的磨削力和工件亚表面损伤深度的理论预测模型的正确性。本文的主要研究成果和创新性工作如下:(1)基于单颗粒磨削理论分析模型,分析了脆性材料磨削过程中的材料去除方式,建立了脆性材料磨削过程中单颗磨粒的磨削力预测模型,揭示了磨削参数对单颗磨粒磨削力的影响规律。另外,根据超声振动辅助磨削加工中磨粒与工件的接触关系,分析了单颗磨粒的磨削方式,建立了单颗磨粒在超声振动辅助磨削加工中的磨削力预测模型,讨论了不同振动参数对单颗磨粒磨削力的影响。研究表明:在脆性材料磨削过程中,增大砂轮的磨削深度和工件的进给速度,会增大砂轮单位时间内的材料去除体积,从而使砂轮上每颗磨粒所承担的磨削力增大;而增大砂轮的磨削速度,增加了单位时间内参与磨削的磨粒数量以及减小了单颗磨粒磨削时侵彻工件表面的深度,从而使每颗磨粒所承受的磨削力减小,这也有利于提高砂轮磨削去除材料的效率。同时,增大超声振动幅值和提高超声振动频率,相当于增加了磨粒的运动轨迹长度而减小了磨削过程中磨粒的侵彻深度,从而导致了单颗磨粒的磨削力减小。(2)基于压痕断裂力学,建立了脆性材料磨削过程工件亚表面损伤深度的理论分析模型,并详细讨论了基于压痕断裂模型下的横向裂纹和中径裂纹对脆性材料工件亚表面损伤深度的综合影响。在研究中充分考虑了工件亚表面裂纹随着砂轮上磨粒旋转而倾斜旋转对评估亚表面损伤深度的影响,同时也综合分析了磨削参数对磨粒旋转角的影响,揭示了不同磨削参数对工件亚表面损伤深度的影响规律。理论研究表明:随着磨削深度的减小和砂轮直径以及磨削速度与工件进给速度比值的增大,脆性材料工件亚表面的损伤深度逐渐减小。(3)基于有限元仿真方法,建立了分析单颗粒磨削脆性材料过程的仿真模型。在有限元模拟中,充分体现了脆性材料在单颗粒磨削过程中的去除方式以及工件表面亚表面裂纹的分布情况。并且研究表明:在有限元仿真中所得到的结论与理论分析的结论基本吻合,这证实了理论分析模型的正确性和有限元模拟的合理性,也有利于为脆性材料的实际加工中工艺参数的合理选择和优化提供科学指导。