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
械作用，以便可靠的实现无损伤加工。

（5） 陶瓷磨削力的经验计算式：
选择不同的磨削用量，v
s ＝7.5、15.30m/s,v
w
＝8、14、18m/min，
a
p
＝0.01、0.02、0.03mm，进行多因素正交切入磨削实验，用测力仪
测出磨削AI2O3 的磨削力，然后应用最小二乘法线性回归求出该材料
的磨削力经验公式如下：
对于AI2O3陶瓷
Fn = 216.843 v s-0.498 v w0.617 a p0.918
Ft＝405.592 v
s -0.826 v
w
0.509 a
p
1.207
（6）ELID镜面磨削原理
ELID（Electrolytic In－process Dressing）磨削技术是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。

使用金属结合剂
超硬磨料微粉砂轮进行磨削时，这类砂轮极易产生砂轮表面堵塞问题。

采用ELID技术，可以保证砂轮在磨削过程中始终保持锐利状态，不会
产生切削堵塞砂轮现象，因而使得用微细、超细超硬磨料制作性能优异
的砂轮成为可能。

采用ELID磨削技术，对高温结构陶瓷进行高效率镜
面磨削，其表面粗糙度Ra值可达10nm以下的水平。

图1示出ELID法用于精密卧轴矩台平面磨床上进行镜面磨削的原理图。

磨削时，砂轮接专用电解电源的正极，紫铜接其负极。

磨削液选
用非线性弱电解质碱性冷却润滑液。

图1 ELID镜面磨削原理图
在电解修锐初期，经过整形的砂轮表面导电性能良好，电流接近电源上设定的最大值，砂轮（正极）和电极（负极）间电位差较小。

经过数分钟后，砂轮结合剂（主要成分为Fe）从表面溶出，大多数Fe元素被离子化，离子化的Fe2＋与氢氧根OH－离子相结合，生成Fe（OH）
2
，Fe
（OH）
2进一步氧化便会生成Fe（OH）
3
，然后，这些物质再转变成Fe
2
O
3
氧化膜，粘附于砂轮表面，产生一层绝缘膜，砂轮的导电性将随绝缘层的增厚而减弱。

经过初期电解修锐的砂轮开始磨削，微细磨料和工件接触，显露的磨粒逐渐磨损，绝缘层也随之剥落。

绝缘层膜变薄后，砂轮表面的导电率增大，促进电解的继续进行，并重复上述现象。

随着绝缘膜的增厚，结合剂则不断剥蚀，磨粒不断露出，从而保证砂轮在磨削过程中始终保持有良好的锐利性。

如图2所示。

超硬磨料砂轮修锐的效果取决于磨料的粒度和修整条件。

图2 ELID修锐砂轮的原理图
（7）磨削用量
磨削用量与陶瓷磨削时的磨削力、磨削力比、砂轮磨损及磨削表面质量等有密切关系。

图3示出磨削用量对磨削力的影响。

磨削深度a
p 及工件速度v
w
增大
时，砂轮上同时参加切削的磨粒数增加，且每颗粒的切削厚度增加，因
此，磨削力增大。

提高砂轮速度v s 时，每颗磨粒的切削厚度减小，因而
磨削力减小。

这种影响规律与普通砂轮磨削金属材料时的影响规律相似。

图3 磨削用量对磨削力的影响 （a） v s ＝15.7m/s, v w ＝14m/min
(b) v s ＝31.4m/s, a p ＝0.01mm;(c) v w ＝8m/min, a p ＝0.02mm。

●－Si 4N 4；○－AI 2O 3。

磨削用量对磨削力比F ′n / F ′t 的影响见图4。

由该图可知，增加工作台
速度v w ，降低砂轮速度v s 有利于减小磨削力比F n / F t 。

但是，增加工作台速度
v w 和降低砂轮速度v s 都会使法向磨削力F n 和切向磨削力F t 增大。

图4 磨削用量对陶瓷磨削力比F n/ F t的影响
（a）v s＝15.7m/s, v w＝20m/min
(b) v s＝15.7m/s,a p＝0.03mm;(c) v w＝14m/min, a p＝0.03mm。

●－MBD4100/120M100; ○－RVD100/120M100;△－RVD170/200M100;▽－RVD170/200B100。

六．实验测试方法
（1）ELID镜面磨削实验系统
ELID镜面磨削系统主要组成部分如表6所示。

由于表中没有反映各组成部分的特性，以下给予简要说明。

测试系统见图1。

表6 ELID镜面磨削实验系统
（1）被加工材料 AI2O3 陶瓷、SiC陶瓷
（2）机床 精密卧轴矩台平面磨床（MM7120）
（3）砂轮 Φ200×75×5：2500＃铸铁结合剂金刚石超细砂轮 （4）ELID电源 专业电解电源ELID（75V，30A）
（5）其他 磨削液：20倍稀释；
（2）磨削力测试系统
试件尺寸8mmｘ20mmｘ30mm（一件），通过夹具固定在应变式八角环测力仪上，测试原理图如下：
16光线示波器
动态应变仪8756431276
423
1
85
本次实验采用的方法是借助于八角环测力仪装置。

电阻应变片随弹向环而变形引起电阻值的变化。

通过对输出信号的转换、放大、可测得电压值，通过标定曲线推算出Fn、Ft 的力值。

磨削力的标定:
在应变仪上放一个砝码，由sc16光线示波器记录下来、切向力由滑轮带动一个砝码，由sc16光线示波器记录。

再给动态应变仪10µε，由sc16光线示波器记录，换算出1µε=？F/Kg。

（3） 磨削温度测试
温度测试采用美国雷泰激光便携式测温仪，可测量从-30°C 到900°C(-25F° to 1600°F)的宽温度范围，高光学分辨率60:1，能从更远的距离测量，或者测量更小的物体，实验时可根据实验方案用激光瞄准被测点精确的红外光束跟踪进行测试，使关键数据测量更精确，使用方法见说明书，实验仪器见图5。

图５ 红外测温仪。