本发明涉及氧化锆陶瓷磨削加工，具体涉及一种氧化锆陶瓷磨削表面裂纹损伤分析方法及磨削装置。
背景技术：
1、随着经济、科学与技术的不断提高，制造业也朝着高效率、优质、节能和高精度的方向快速迈进。高速加工作为当今机械制造业中的四大先进制造技术之一，是目前发展最迅速、应用最广泛、经济效益最客观的制造技术。高速加工能够有效抑制切削振动，减小振动对工件加工质量的影响；在保证加工效率的前提下，可采用较小的进给量，改善工件的加工表面粗糙度；能加工如镍基合金和钛合金等强度大、硬度高、耐冲击的各种难加工的材料；能够获得低损伤的表面结构和保持良好的表面物理性能及力学性能；能够获得较高的加工精度。高速加工具有众多优点，应用领域广，对制造业的影响大，应用日益广泛。而高速机床是高速加工的基础，高速加工工具系统是高速加工机床的重要组成部分，受到世界各国机械工业界和相关学者们的高度重视。
2、高速加工工具系统的核心部件之一是精密电主轴，随着加工制造业的发展，精密电主轴的加工精度要求越来越高，电主轴锥孔隔套使用环境和条件也越来越苛刻，如高速、高温、耐腐蚀、强磁性、强耐磨等极端工况，传统金属锥孔隔套已不能满足使用要求。
3、氧化锆陶瓷锥孔隔套与传统金属锥孔隔套相比，由于陶瓷材料的硬度远大于金属，同种型号精密主轴相同工作条件下氧化锆陶瓷锥孔隔套使用寿命可提高30％。
4、磨削加工作为陶瓷的主要加工手段，自上世纪80年代以来，国内外许多学者对陶瓷的磨削加工机理、加工工艺、加工设备、磨削力、磨削热、砂轮磨损及修整等问题做了深入地研究，在陶瓷产品开发、应用以及提高加工效率、改善加工质量等方面取得了一定的研究成果。
5、氧化锆陶瓷这种硬脆材料的磨削表面残余应力是影响材料使用性能的一个非常重要的因素，陶瓷表面经磨削出现裂纹是影响磨削质量的重要问题，而表面残余应力是产生裂纹的重要原因。目前对磨削陶瓷等硬脆材料的残余应力有过一些研究，但对二维超声振动辅助磨削氧化锆陶瓷表面裂纹和损伤情况的分析研究方法鲜有公开数据和报道。
技术实现思路
1、为了解决上述技术问题，本发明提供了一种氧化锆陶瓷磨削表面裂纹损伤分析方法及磨削装置，通过分析超声振动的振幅和频率对单颗磨粒轨迹的影响，建立了陶瓷材料的损伤模型和径向裂纹成核的临界磨削深度模型，能够对氧化锆陶瓷磨削表面的裂纹损伤情况进行有效分析。
2、本发明提供了一种氧化锆陶瓷磨削表面裂纹损伤分析方法，包括如下步骤：
3、s1、建立对工件进行二维超声振动辅助磨削时，工件质点的运动轨迹方程；
4、s2、建立对工件进行二维超声振动辅助磨削时，单颗磨粒相对工件的运动方程，分析超声振动的振幅和频率对单颗磨粒轨迹的影响；
5、s3、结合磨粒的磨粒形状、磨粒材料的断裂韧性、磨粒硬度、磨粒弹性模量及砂轮转速、工作台的运动速度，建立超声磨削过程中氧化锆陶瓷表面的损伤模型；
6、s4、建立超声磨削径向裂纹成核临界磨削深度的数学模型，得到氧化锆陶瓷表面裂纹临界切入深度，对超声振动情况下的氧化锆陶瓷表面裂纹的临界切入深度进行分析。
7、优选的，步骤s1中，所述建立对工件进行二维超声振动辅助磨削时，工件质点的运动轨迹方程具体包括：
8、s101、设定砂轮切线方向为x方向，砂轮轴线方向为y方向，磨粒的初始切入点为坐标原点；
9、s102、对氧化锆陶瓷试件施加二维超声振动，建立工件质点的运动轨迹方程为：
10、
11、式中：a、b为两个方向上超声振动的振幅，ω、ω'分别为超声振动的角速度，为相位差角，α为二维超声磨削工装在工作台上的安放角度。
12、优选的，步骤s2中，所述建立对工件进行二维超声振动辅助磨削时，单颗磨粒相对工件的运动方程，具体包括：
13、s201、设定砂轮切线方向为x方向，砂轮轴线方向为y方向，磨粒的初始切入点为坐标原点；
14、s202、建立二维超声磨削的单颗磨粒相对工件的运动方程：
15、
16、式中：ωs为砂轮旋转角速度，r为砂轮半径，ω、ω'分别为超声振动的角速度，为相位差角，α为二维超声磨削工装在工作台上的安放角度。
17、优选的，分析超声振动的振幅和频率对单颗磨粒轨迹的影响，具体包括：
18、s211、设置模拟仿真条件为：ωs＝1400～1500r.p.m，r＝175～180mm，r＝vw＝12～17m/min，ω＝2πf＝70500π(rad/s),ω'＝2πf'＝70000π(rad/s),α＝π/4，δt＝0.00014s，a＝14μm，b＝15μm，设定砂轮切线方向为x方向，砂轮轴线方向为y方向，磨粒的初始切入点为坐标原点，对二维超声振动磨削时磨粒的相对运动轨迹进行模拟仿真；
19、s212、模拟不同振幅下，单颗磨粒在x方向和y方向的运动轨迹并生成第一轨迹仿真曲线，分析振幅变化对单颗磨粒在x方向和y方向的影响；
20、s213、模拟不同频率下，单颗磨粒在x方向和y方向的运动轨迹并生成第二轨迹仿真曲线，分析频率变化对单颗磨粒在x方向和y方向的影响。
21、优选的，步骤s213中，所述不同频率包括20khz、35khz和60khz。
22、优选的，步骤s3中，所述建立超声磨削过程中氧化锆陶瓷表面的损伤模型，具体包括：
23、在预设频率的二维超声振动条件下，在氧化锆陶瓷表面进行单颗金刚石刻划试验，金刚石笔进给深度为10～15μm，观察氧化锆陶瓷表面的塑性变形、粉末化、横向裂纹、径向裂纹及裂纹扩展情况。
24、优选的，预设频率可以是20khz、35khz或60khz。
25、优选的，步骤s4中，所述建立超声磨削径向裂纹成核临界磨削深度的数学模型，具体包括：
26、s401、基于压痕断裂力学原理，动态压痕过程径向裂纹的临界载荷可表示为：
27、
28、式中：α、β、γ为与磨削条件相关的常数，vs为砂轮转速，vw为工作台移动速度，kic为材料的断裂韧性，h为材料的硬度。
29、s402、假定磨粒为理想圆锥形，其磨粒锥顶角为θ，当磨削深度为ap时，磨粒与材料之间的接触面积为：
30、
31、因此临界应力与临界载荷的关系为：
32、
33、式中：σx为临界应力，e为弹性模量，δ为材料未变形前体积有关的系数，因此，可得到得临界切削深度：
34、
35、式中：α、β、γ为与磨削条件相关的常数，vs为砂轮转速，vw为工作台移动速度，kic为材料的断裂韧性，h为材料的硬度，e为弹性模量，δ为材料未变形前体积有关的系数。
36、本发明还提供一种磨削装置，用于对氧化锆陶瓷进行二维超声振动磨削加工，其特征在于，包括：测力仪，测力仪顶部设置有工件托板，工件托板上部安装有砂轮，砂轮与工件托板之间放置有氧化锆陶瓷工件，测力仪(1)顶部还安装有变幅杆，变幅杆的一端与工件托板固定连接，变幅杆的另一端安装有换能器，换能器电连接有数字频率计和超声波发生器；测力仪依次电连接有电桥盒、应变仪、连接器、a/d转换卡和计算机。
37、通过上述技术方案，本发明具有以下技术效果：
38、本发明通过分析超声振动的振幅和频率对单颗磨粒轨迹的影响，结合超声磨削过程中材料的损伤形式，建立了陶瓷材料的损伤模型，并在压痕断裂力学的基础上，建立径向裂纹成核的临界磨削深度模型，符合氧化锆陶瓷材料超声振动磨削实际加工状况，能够对二维超声振动辅助磨削下，氧化锆陶瓷磨削表面的裂纹损伤情况进行有效分析。
1.一种氧化锆陶瓷磨削表面裂纹损伤分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种氧化锆陶瓷磨削表面裂纹损伤分析方法，其特征在于，所述步骤s1中，所述建立对工件进行二维超声振动辅助磨削时，工件质点的运动轨迹方程具体包括：
3.根据权利要求1所述的一种氧化锆陶瓷磨削表面裂纹损伤分析方法，其特征在于，所述步骤s2中，所述建立对工件进行二维超声振动辅助磨削时，单颗磨粒相对工件的运动方程，具体包括：
4.根据权利要求1所述的一种氧化锆陶瓷磨削表面裂纹损伤分析方法，其特征在于，所述分析超声振动的振幅和频率对单颗磨粒轨迹的影响，具体包括：
5.根据权利要求4所述的一种氧化锆陶瓷磨削表面裂纹损伤分析方法，其特征在于，所述步骤s213中，所述不同频率包括20khz、35khz和60khz。
6.根据权利要求1所述的一种氧化锆陶瓷磨削表面裂纹损伤分析方法，其特征在于，所述步骤s3中，所述建立超声磨削过程中氧化锆陶瓷表面的损伤模型，具体包括：
7.根据权利要求6所述的一种氧化锆陶瓷磨削表面裂纹损伤分析方法，其特征在于，所述预设频率可以是20khz、35khz或60khz。
8.根据权利要求1所述的一种氧化锆陶瓷磨削表面裂纹损伤分析方法，其特征在于，所述步骤s4中，所述建立超声磨削径向裂纹成核临界磨削深度的数学模型，具体包括：
9.一种磨削装置，用于对权利要求1-8任一项所述的氧化锆陶瓷进行二维超声振动磨削加工，其特征在于，包括：测力仪(13)，所述测力仪(13)顶部设置有工件托板(3)，所述工件托板(3)上部安装有砂轮(1)，所述砂轮(1)与工件托板(3)之间放置有氧化锆陶瓷工件(2)，所述测力仪(13)顶部还安装有变幅杆(4)，所述变幅杆(4)的一端与工件托板(3)固定连接，所述变幅杆(4)的另一端安装有换能器(5)，所述换能器(5)电连接有数字频率计(6)和超声波发生器(7)；
