非金属硬脆材料磨削机理研究综合实验指导书

非金属硬脆材料磨削机理研究综合实验指导书

西北工业大学机电实验教学中心

2006-11-21

一.前言

随着科学技术的发展，特别是能源、空间技术的发展，材料需要在比较苛刻情况下使用。例如磁流体发电的通道材料，既要能耐高温，又要能经受高温高速气流的冲刷和腐蚀。航天器的喷嘴、燃烧室的内衬、喷气发动机的叶片等对材料高温条件下的性能提出了更高要求。石油化工、能源开发等方面的反应装置、热交换器、核燃烧室，要求材料的耐高温性，耐腐蚀性，耐磨损性也日益严格。由此可见，非金属硬脆材料（高温结构陶瓷）是目前唯一能胜任的特殊材料，其应用价值将越来越重要。高温结构陶瓷要实现所具备的优异功能，就必须加工成一定精度的形状和尺寸。因此，有必要研究高温结构陶瓷的精密加工技术。二．实验目的

1.培养学生理论联系实际，在实践中综合分析问题、解决问题的能力，使学

生从磨削过程、磨削力、磨削温度、加工表面完整性等几个方面进行研究和实验，使学生综合运用所学基础理论知识及专业知识，掌握各种测试技术和新技术在磨削加工中的运用，使能逐步掌握科学技术研究的方法和手段。

2.培养学生的实验设计能力并提高学生的实验技能，在实验中，学生通过自

己动手来完成各种测试、加工试件、仪器调整、数据采集、数据测试、试验结果分析，提高学生的实验技能。

3.了解精密磨削表面的形成机理，了解工件表面的微观轮廓的形成，砂轮的

特性，磨削参数的密切关系。了解提高零件加工精度及表面质量的途径，探索在保证产品质量的前提下如何提高生产率以及降低生产成本的最佳磨削加工技术。

三．实验材料的性能及磨削特点

1.高温结构陶瓷的性能

高温结构陶瓷是多晶体材料。由共价键、离子键或二者的混合物形式构成了高温结构陶瓷材料的不同晶体点阵结构，从而决定了它具有金属等其他材料所不具备的特殊性能，既具有耐高温、高硬度、耐磨损、耐腐蚀、低膨胀系数、高热导率和质量轻等特点。

（1） 高温结构陶瓷的硬度与强度

高温结构陶瓷材料因其材料中位错少及迁移率低而具有高的硬度。一般，高温结构陶瓷的硬度比金属的要高一倍多，决定了它具有好的耐磨损性。高温结构陶瓷的机械强度（抗拉强度、抗弯强度、抗压强度）并不低，其抗拉强度和抗弯强度与金属相当，而抗压强度极高，几乎是金属材料的十余倍。尤其是高温条件下仍能保持高的强度，大多数的高温结构陶瓷在1200℃下强度基本保持不便。表1及表2列出该材料的机械强度和硬度。

表1 结构陶瓷的机械强度

（3） 高温结构陶瓷的导热性与热膨胀性

与金属材料相比，高温结构陶瓷的导热性较差，热膨胀系数小。AI2O3的热膨胀率是普通钢材的三分之二，表4列出高温结构陶瓷材料的热膨胀系数。

表4 高温结构陶瓷的热膨胀系数

2. 高温结构陶瓷的磨削特点

由于不可避免的毛坯烧结收缩量和特殊形状的要求，结构陶瓷零件尤其是旋转件、滑动件和配合件，都需要经过机械加工才能满足尺寸形状的公差要求和表面粗糙度要求。通常用超硬磨料磨具进行陶瓷零件的精密与超精密加工。高温结构陶瓷在磨削过程中具有下述主要特点：

（1） 磨削力比很大，磨削比小

由于高温结构陶瓷材料硬度很高，表现出优良的耐磨性和抗力，磨削法向力与切向力之比Fn/Ft很大，约为10～40；磨削比小，在v s=15.8m/s，v w=14m/min，a p=0.015mm的磨削条件下，应用Φ250×20×75×10 JR180 B100的金刚石砂轮以切入方式磨削反应烧结氮化硅陶瓷，其磨削比为130，而在相同条件下磨削普

通玻璃，磨削比可达4000。

（2） 砂轮磨耗量大，加工成本高

磨削比小，必然造成超硬磨料磨具的磨耗严重，而超硬磨料磨具的价格目前普遍较昂贵，这使结构陶瓷零件的加工费用都很高，一般占陶瓷零件总成本的65％～90％。因此，减少砂轮磨耗，降低陶瓷的加工成本，是实现结构陶瓷广泛应用的基本前提。

（3） 结构陶瓷的磨削表面质量不易控制

结构陶瓷的韧性差，与其他硬脆材料一样，对表面状态非常敏感，因此，陶瓷零件的力学性能取决于加工表面状态。在磨削过程中，磨粒与工件间通过及其复杂的摩擦、变形甚至断裂并伴随力热作用去除加工层材料。另外，结构陶瓷材料又是韧性可以改善的硬脆材料，而且不同种类的结构陶瓷材料，其断裂韧性也有较大的差别。因此，结构陶瓷的磨削过程及磨削表面质量既不同于塑性金属材料，也不同于普通脆性材料，具有特殊的规律。

（4） 高温结构陶瓷的生产率低

由于结构陶瓷的韧性不足，而且陶瓷磨削时的抗力很大，使得结构陶瓷的磨削加工层的厚度受到特定条件的约束，加之结构陶瓷优良的耐磨性，从而造成结构陶瓷材料的切削加工性很差，生产效率较低。目前，设法提高结构陶瓷加工效率，降低陶瓷零件成本，改善陶瓷零件的表面质量，大幅度提高陶瓷零件的可靠性，成为结构陶瓷加工中的重点研究项目。

四．实验方案

试验研究新型微粉超细粒度铸铁结合剂砂轮特性参数、微观轮廓特性（磨粒的分布密度、磨粒的伸出高度、相邻磨粒间距等）对高温结构陶瓷表面粗糙度及损伤层的影响，确定获得光滑表面的最小损伤层的最佳特性参数。

1、实验装置和测试系统

磨床：MM7120平面磨床，无级变速

砂轮：2500＃铸铁结合剂金刚石砂轮、CBN砂轮、树脂结合剂金刚石砂轮 冷却液：水溶型磨削液

试件：AI2O3 SiC

实验装置：八角环测力仪、ELID电源、Y6D-3A动态应变仪、X-Y记录仪

2. 砂轮修整器

天然单晶金刚石修整笔、SiC油石条

3. 实验项目

（1） 高温结构陶瓷的磨削力的实验研究：a.选择不同的磨削用量进行实验（进行多因正交切入磨削），分别用测力仪测出磨削该实验材料的磨

削力，应用最小二乘法线性回归求出该材料的磨削力的经验公式；b.

对影响该材料磨削力的因素分析。

（2） 对高温结构陶瓷的ELID镜面磨削技术：a.采用一种对金属结合剂超硬磨料砂轮在线电解修整的复合磨削技术，对试验件进行镜面磨削并对

其效果分析；b. 从机械、物理、化学等几方面综合分析研究经ELID

磨削的无损伤表面的生成机理及相应的关系。

（3） 对高温结构陶瓷的磨削过程及磨削表面的微观形貌的研究：a.磨削结构陶瓷采用超硬磨料砂轮的选择；b. 超硬磨料砂轮粒度及结合剂的选

择；c.磨粒的切削过程分析。

五．实验研究

实验研究新型微粉超细粒度铸铁结合剂砂轮特性参数、微观轮廓特性（磨粒的分布密度、磨粒的伸出高度、相邻磨粒间距等）对高温结构陶瓷、表面粗糙度及损伤层的影响，确定获得光滑表面的最小损伤层的最佳特性参数。

（1） 研究超细微粉金刚石砂轮在线修锐（ELID）磨削过程中的基本物理现象以及修锐参数与高温结构陶瓷表面粗糙度和加工损

伤层之间的关系。

（2） 研究磨削参数与非金属硬脆材料加工表面变质层的关系；研究表面显微裂纹、划痕的生成与消除规律以及残余应力的消除规律。

（3） 从机械、物理、化学等几方面综合分析研究经ELID磨削的无损伤表面的生成机理及相应的关系；研究微观塑性变形作用以及化学侵蚀和

扩散作用。

（4） 实验、分析研究磨削液对减小加工损伤层的有效性；研究材料表面受磨削区高温催化作用的化学反应关系，充分发挥磨削过程中的化学机