[发明专利]车用硬脆材料旋转超声加工亚表层损伤深度在线预测方法

权利要求书

1.一种车用硬脆材料旋转超声加工亚表层损伤深度在线预测方法，其特征在于，包括步骤：

（1）确定有效切削时间和最大切削力：对高度为的任一磨粒，根据磨粒的正弦轨迹方程，建立最大切削深度与单个超声振动周期内该磨粒的有效切削时间的关系，根据压痕断裂力学理论，建立最大切削深度与单个超声振动周期内该磨粒的最大切削力的关系；

（2）确定刀具端面边缘磨粒的数目及参与切削的高度为的磨粒数目：根据刀具的磨粒浓度确定刀具端面边缘的磨粒数目；依据磨粒高度服从正态分布的特征确定参与切削的高度为的磨粒数目；

（3）确定单个超声振动周期内高度为的磨粒的总冲量及刀具总冲量：利用步骤（2）中所得参与切削的高度为的磨粒数目，并结合步骤（1）中磨粒的有效切削时间和最大切削力，确定单个超声振动周期内高度为的磨粒的总冲量；依据磨粒高度服从正态分布的特征及刀具的等效印压深度，确定所有参加切削的不同高度磨粒的总冲量，即为刀具总冲量；

（4）建立刀具切削力与等效印压深度的理论关系模型：基于刀具切削力和刀具总冲量的关系，以及步骤（1）中最大切削深度和最大切削力的关系，并结合步骤（3）中刀具总冲量的计算公式，建立刀具切削力与等效印压深度的理论关系模型；

（5）建立亚表层裂纹的最大扩展深度与刀具的等效印压深度的理论关系：根据压痕断裂力学理论，确定最大磨粒的最大切削力与中位裂纹的最大扩展深度的关系，然后结合步骤（1）中最大切削深度和最大切削力的关系，并根据等效印压深度等于参与切削磨粒的最大切削深度，且中位裂纹的最大扩展深度等于亚表层裂纹的最大扩展深度，建立亚表层裂纹的最大扩展深度与刀具的等效印压深度及综合影响系数和之间的理论关系；

根据步骤（4）得到的等效印压深度，以及综合影响系数和计算得到亚表层裂纹的最大扩展深度，完成所述车用硬脆材料旋转超声加工亚表层损伤深度的在线预测。

2.根据权利要求1所述的车用硬脆材料旋转超声加工亚表层损伤深度在线预测方法，其特征在于，步骤（1）中，所述最大切削深度与单个超声振动周期内该磨粒的有效切削时间的关系如式（I）所示：

其中，为超声振动频率，为超声振动振幅。

3.根据权利要求2所述的车用硬脆材料旋转超声加工亚表层损伤深度在线预测方法，其特征在于，步骤（1）中，所述最大切削深度与单个超声振动周期内该磨粒的最大切削力的关系如式（II）所示：

其中，为所述车用硬脆材料的维氏硬度，为磨粒的半锥角。

4.根据权利要求3所述的车用硬脆材料旋转超声加工亚表层损伤深度在线预测方法，其特征在于，步骤（2）中，按式（III）确定刀具端面边缘的磨粒数目：

其中，为刀具外径，为磨粒浓度，为磨粒的半锥角，为磨粒密度，为磨粒平均尺寸。

5.根据权利要求4所述的车用硬脆材料旋转超声加工亚表层损伤深度在线预测方法，其特征在于，步骤（2）中，按式（IV）确定参与切削的高度为的磨粒数目：

。

6.根据权利要求5所述的车用硬脆材料旋转超声加工亚表层损伤深度在线预测方法，其特征在于，步骤（3）中，所述单个超声振动周期内高度为的磨粒的总冲量的计算公式如式（V）所示：

按式（VI）确定刀具总冲量：

其中，，，为最大磨粒高度，为最小磨粒高度。

7.根据权利要求6所述的车用硬脆材料旋转超声加工亚表层损伤深度在线预测方法，其特征在于，步骤（4）中，所述刀具切削力与等效印压深度的理论关系模型如式（VII）所示：

，

其中，为参与切削的最小磨粒高度。

8.根据权利要求7所述的车用硬脆材料旋转超声加工亚表层损伤深度在线预测方法，其特征在于，步骤（5）中，所述最大磨粒的最大切削力与中位裂纹的最大扩展深度的关系如式（VIII）所示：

其中，为常量，取0.5，，为所述车用硬脆材料的弹性模量，为所述车用硬脆材料的断裂韧性。