脆性材料磨削模式与表面粗糙度

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影响脆性材料表面粗糙度的因素
脆性材料的磨削模式直接影响工件的 表面质 量, 表面质量包括表面粗糙度、 裂纹、 烧伤和残余应 力等。表面粗糙度是描写脆性材料表面质量的参数 之一 , 也是人们在磨削加工中普遍关注的首要问题。 对同一材料, 表面粗糙 度受砂轮磨粒 尺寸、 磨 削用 量, 光磨次数及磨削液等因素的综合影响。 3 1 砂轮磨粒尺寸 图 1 为精磨光学玻璃时砂轮磨粒尺寸与表面粗 糙度的关系[ 7] 。由图可见 , 砂轮磨粒尺寸越小 , 磨削 表面粗糙度 R a 值越小。这是由于砂轮磨粒尺寸越 小, 同时参与磨削的磨粒越多 , 磨刃密度系数 c 1 越 大, 越易形成塑性域磨削 , 所以粗糙度值越低, 文献 [ 7] ~ 文献[ 12] 都得出上述结论。
[ 10]
工 具技 术
Optical Finishing, 1990, 9: 38~ 41 4 T G Bifano, T A Dow, R O Scattergood. Ductile Regime Grind ing: A New Technology for Machining Brittle Materials. Journal of Engineering for Industry , 1991, 113: 184~ 189 5 任敬心 , 华定安 . 磨削原理 . 西北工业大学出版社 , 1988 6 陈明君 , 董 ~ 4 7 陈明君 , 张飞虎 , 董 申等 . 光 学玻璃 塑性 模式超 精密 磨 削加工的研究 . 中国机械工程 , 2001, 12( 4) : 460~ 462 8 N S Ong, V C Venkatesh. Semi ductile grinding and polishing of Pyrex glass. Journal of Materials Processing T echnology, 1998, 83: 261~ 266 9 陈明君 , 董 申 , 张飞虎等 . 陶瓷材料的超精密 磨削加工 . 工具技术 , 1999, 33( 9) : 3~ 4 10 K W Lee, P K Wong, J H Zhang. Study on the grinding of ad 申, 李 旦 , 张飞虎 . 脆性材料 超精密磨削 时 影响表面质量因 素的研 究 . 机 械工程 学报 , 2001, 37( 3) : 1
42 为磨削深度增大导致单颗磨粒的未变形切屑厚度增 加。而文献[ 10] 则得出与之不同的结论: 当磨削深 度小于一定数值时, 随磨削深度的增大 , 磨削表面粗 糙度值变大; 但当磨削深度大于一定数值时, 随磨削 深度继续增大, 磨削表面粗糙度值迅速变小。因为 此时随着磨削深度的增加 , 法向力增大 , 同时砂轮磨 损加剧, 使得实际磨削深度减小( 如图 4
式中 , E 为材料的弹性模量 ( MPa) ; H 为材料的硬度
2004 年第 38 卷
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41 的影响大于前者。而文献 [ 14] ~ 文献 [ 16] 中却认 为 : 砂轮速度越大 , 表面粗糙度越小, 因为砂轮速度 增加使得单颗磨粒的未变形切屑厚度减小。其中, 文献 [ 13] 指出, 提高砂轮速度比降低工件横向进给 速度及磨削深度更能有效地降低表面粗糙度。文献 [ 13] 还认为 , 采用高的砂轮速度 , 将使表面粗糙度得 到明显改善 , 其原因有三个: 一是砂轮速度提高, 磨 削力降低, 对于氧化铝砂轮来说 , 可降低磨粒的破碎 和磨损 , 提高磨粒的寿命, 增加与工件表面的摩擦抛 光时间 ; 二是砂轮速度提高, 磨削区的温度升高, 使 材料有可能发生塑性变形 , 促进砂轮对工件表面的 挤压摩擦作用; 三是砂轮速度提高, 单位时间内砂轮 与工件之间的接触次数增多 , 对工件表面的摩擦抛 光作用增强。 ( 2) 砂轮进给量 文献[ 7] 、 [ 9] 、 [ 13] 都认为 , 随着砂轮进给量的 减少 , 表面粗糙度 值减小。图 2 为在塑性磨削模 式下精磨光学玻璃时砂轮进给量与表面粗糙度的关 系。可以看出, 在塑性磨削模式下, 随着砂轮进给量 的减少 , 表面粗糙度值迅速减小。
1
引言
( MPa) ; Kc 为材料的断裂韧性( MPa m) 。 通过对磨削过程中砂轮与工件的接触状态进行 分析, 得到砂轮单个磨粒的最大切削深度为[ 5]
h cmax = ( 4vw vsN d C a p/ d e ) 1/ 2 ( 2)
随着尖端科学技术的不断发展, 高质量的脆性 材料产品 , 如航空航天用陶瓷轴承、 工业及民用的石 英玻璃和陶瓷玻璃、 激光与红外光学晶体等的应用 越来越广泛 , 对脆性材料的精密及超精密加工的研 究也日益深入。脆性材料虽然用途十分广泛, 但硬 度高, 脆性大 , 为了获得高质量的脆性材料产品 , 克 服研抛技术生产周期长、 产品成本高的缺点, 近年来 出现了超精密磨削加工技术。对于脆性材料的磨削 加工, 材料的磨削模式对已加工表面质量有很大的 影响 , 根据最新研究 , 脆性材料在选择适当的参数条 件下仍能以塑性磨削模式加工 , 使得磨削表面的质 量等同甚至优于研抛表面[ 1~ 3] 。因此, 研究脆性材 料的磨削模式及表面粗糙度, 以及它们与刀具和加 工工艺参数之间的关系是非常重要的, 将会对脆性 材料的磨削加工起到一定的指导作用。
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工 具技 术
脆性材料磨削模式与表面粗糙度
孟剑峰 李剑峰
山东大学
摘 要 : 对国内外有关脆性材料的磨削模式及表 面粗糙 度的研 究进展进 行了综 述 , 为获得高 质量的 脆性材 料 产品、 实施脆性材料的精密与超精密磨削提供有 益的参考。 关键词 : 脆性材料 , 磨削模式 , 表面粗糙度
葛培琪
图 2 砂轮进给量与 粗糙度的关系
( 3) 工件速度
图1 金刚石砂轮磨粒尺寸与粗糙度的关系
如图 3[ 17] 所示, 在不同的光磨 次数下, 磨削表 面的粗糙度值都随工作台速度的降低而降低。因工 件速度减小 , 单颗磨粒的未变形切屑厚度减小, 所以 磨削表面粗糙度降低[ 16, 17] 。
但文献[ 13] 用氧化铝砂轮光磨氮化硅陶瓷镶块 却得出与此相反的结论, 即随着磨粒尺寸的增大, 表 面粗糙度值降低。这是因为砂轮磨削陶瓷表面的加 工过程可分为砂轮磨粒与工件表面凸峰的碰撞、 碰 撞与摩擦共同作用、 摩擦抛光三个阶段 , 当磨粒尺寸 较大时, 磨粒强度较高 , 不易破碎和脱落, 与工件之 间的摩擦抛光作用时间增加; 而当磨粒较小时 , 磨粒 易脱落, 与工件之间的摩擦抛光作用时间减弱。 3 2 磨削用量
[ 7]
作者 通 过 磨 削 Pyrex 玻 璃 ( 砂 轮 的 线 速 度 v s = 1800m/ min, 工件速度 v w = 1 1m/ min, 磨削深度 a p = 2 m) 得出如下结论 : 当磨粒尺寸为 30~ 110 m 时 , 为断裂模式, 加工表面粗糙度 R a 为 471 3~ 867nm; 磨粒尺寸为 12~ 25 m 时, 断裂模式占 95% , 加工表 面粗糙度 R a 为 172nm; 磨粒尺寸为 2~ 6 m 时 , 磨削 模式为塑性, 加工表面粗糙度 R a 为 52 3nm 。
N d= A g ( c 1) 2/ 3 2 ks
1/ 3
- 2
vw vs
1/ 3
ap de
1/ 6
( 3)
式中, A g 为与静态磨刃数的比例系数 , A g
-3
1 2; c 1
为与磨刃密度有关的系数( mm ) ; k s 为与砂轮磨刃 形状有关的系数。 由此可见, 根据 h c 与 h cmax 的关系 , 脆性材料存 在三种磨削模式: 断裂模式、 断裂 & 塑性模式及塑 性模式。对同一材料, 由式 ( 2) 与式 ( 3) 可知, 砂轮的 平均磨粒尺寸对磨削模式的影响最大 , 砂轮速度、 工 件速度的影响较小 , 而磨削深度的影响最小。哈工 大的陈明君
所示) 。
图 4 磨削深度 与粗糙度的关系
vanced ceramics with slotted diamond wheels. Journal of Mate rials Processing Technology, 2000, 100: 230~ 235 11 Yesha Zheng , Joaquim Manuel Vieira, Filipe Jose Oliveira et al . Relationship between flexural strength and surface rough ness for hot pressed Si3N4 self reinforced ceramics. Journal of the European Ceramic Society, 2000, 20: 1345~ 1353 12 Nobuhide Itoh, Hitoshi Ohmori. Grinding characteristics of hard and brittle materials by fine grain lapping wheels with ELID. Journal of Materials Processing Technology, 1996, 62: 315~ 320 13 胡 军 , 徐燕申 , 谢 艳 等 . 氮化 硅陶 瓷镶 块低 粗糙 度
[ 7]
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Biblioteka Baidu
脆性材料的磨削模式
国内外研究人员通过大量理论分析和 试验证 明, 脆性材料在适当的加工条件下仍能以塑性磨削 模式进行加工, 并得到粗糙度很低的光滑表面。实 现脆性材料塑性域磨削的条件是 : 砂轮单个磨粒的 最大切削深度应小于脆性材料的临界切削深度。T G Bifano [ 4] 应用显微压痕法建立了玻璃材料不产生 裂纹时的临界切削深度。通过应用扫描电镜观察玻 璃的压 痕形貌 发现 , 要使 玻璃 表面的 裂纹 数少 于 10% , 压痕的临界深度满足:
[ 10]
图 3 工作台速度与 粗糙度的关系
( 1) 砂轮速度 K W Lee 通过陶瓷材料磨削试验认为 : 砂轮 速度越大 , 表面粗糙度越大。因为砂轮速度增加, 虽 然单颗磨粒的未变形切屑厚度减小 , 粗糙度应减小 , 但砂轮速度增加导致磨削系统的振动加剧, 且后者
( 4) 磨削深度 文献 [ 9] 认为 , 在塑性模式条件下进行磨削时, 表面粗糙度不受磨削深度的影响。史兴宽[ 17] 指出, 随着磨削深度的增大, 磨削表面的粗糙度值变大 , 因
hc = 0 15 ( E Kc 2 )( ) H H ( 1)
通过对光学 玻璃 ( NbF1) 进行超精密
磨削 ( 磨削时砂轮的线速度 v s = 1200m/ min, 工件速 度 vw = 0 5m/ min, 磨 削深 度 a p = 1 m ) 发 现: 当用 W40 型金刚石砂轮磨削时磨削模式为断裂模式, 磨 削后工件表面有大量的磨削条纹 , 表面不透明, 表面 粗糙度 R a 为 5 36 m; 当砂轮为 W20 型时 , 磨削模式 为断裂与塑性模式, 工件表面上的磨削条纹是断续 的 , 表面呈部分透明状, 表面粗糙度 R a 为 0 11 m; 当砂轮为 W10 型时 , 磨削模式为塑 性模式, 表面上 看不到任何微裂纹缺陷 , 表面完全透明。文献[ 8] 的
Grinding Mode of Brittle Material and Surface Roughness
Meng Jianfeng Li Jianfeng Ge Peiqi
Abstract: The research status about the grinding modes and surface roughness of brittle materials at home and abroad are summarized. The reference for gaining better products and operating precise and ultraprecise grinding brittle materials is provided. Keywords: brittle material, grinding mode, surface roughness
式中 , h cmax 为单个磨粒的最大切削深度 ( mm) ; Vs 为 砂轮速度( m/ s) ; Vw 为工件进给速度 ( mm/ s) ; a p 为 磨削 深 度 ( mm ) ; N d 为 砂 轮 动 态 有 效 磨 刃 数 ( mm ) ; C 为磨削常数; d e 为砂轮当量直径( mm) 。 考虑金刚石砂轮的磨粒顶角为三角形, 可得砂 轮动态有效磨刃数 [ 6]