硬脆材料磨削加工机理的理论分析

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Mater.Sci.,1999,34(17):4271~4277

第一作者:易勇,硕士研究生,四川大学金属材料系研2000级,610065成都市

编辑:胡红兵

收稿日期:2002年3月硬脆材料磨削加工机理的理论分析

尚广庆孙春华

河海大学

摘要:通过对硬脆材料(玻璃)的切削试验,建立了硬脆材料的磨削模型,讨论了硬脆材料在磨粒作用下的塑性变形和断裂行为。

关键词:硬脆材料,磨削,塑性变形,断裂

Theoretical Analysis of Grinding Mechanics of Rigid-brittle Materials

Shang Guangqing Sun Chunhua

Abstract:Based on the cutting experimen t to glass,a kind of rigid-brittle materials,the grinding model of the ri gid-brittle ma-terial is established,and the plastic deformation and fracture behavior of the rigid-bri ttle material cut by abrasive grain are discussed.

Keywords:rigid-bri ttle material,grinding,plastic deformation,fracture

1引言

随着科技与生产的发展,硬脆材料(如工程陶瓷、光学玻璃等)的应用日趋广泛。由于硬脆材料的脆性较大,加工时在磨粒作用下易发生断裂,因此其加工机理比金属材料加工更为复杂。目前对硬脆材料加工机理的理论研究尚不够深入与成熟,积极开展这方面的研究对于指导生产实践具有重要意义。本文通过对典型硬脆材料)))玻璃的切削试验,对硬脆材料的磨削加工机理进行了理论分析,其结论对加工硬脆材料时切削用量的选择具有一定指导意义。

2硬脆材料磨削模型的建立

在精密磨床上用单颗粒金刚石飞铣装置对玻璃进行切削试验。利用高速摄影机观察金刚石颗粒切削脆硬材料的动态过程;利用扫描电镜观察被加工材料的沟槽横截面和沟槽形貌。通过对切削试验过程以及被加工玻璃表面的观测分析,建立如图1所示的硬脆材料(玻璃)磨削模型。

3试验结果与讨论

311硬脆材料在磨粒挤压作用下的塑性行为

在切削试验中可观察到,当切深较小时(即磨削初始阶段),硬脆材料的变形表现为塑性变形。从应力场的角度分析,硬脆材料只有在围压足够大时,才能象金属材料一样表现出良好的塑性,围压越大,塑

性越好。

图1硬脆材料(玻璃)的磨削模型

由于任何磨粒的端部均有一定的圆弧半径,因而可将磨粒端部近似看作一个半径为R的球体。当磨粒在垂直力P作用下压向玻璃表面时,其与玻璃的接触面边缘为一个圆。该圆半径为

a=

3

2

(1-L2)

PR

E

(1)

接触面上的压力分布可用q表示为(见图2)

图2磨粒压入平面时的压力分布情况

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2002年第36卷l10

q =

32P P a 3

a 2-r 2

(2)

由图2可见,在压力面边缘的压力分布为0,而在压力面中心(r =0处)压力分布最大,用q 0表示此中心处压力,由式(2)可得

q 0=

32P

P a 2

(3)

在分布力q 的作用下,玻璃内的应力可分为)区和Ò区,如图3所示。在I 区内,玻璃受到各个方向的压应力作用;在

II 区内,玻璃受到压应力和拉应力的综合作用。

图3 应力区分布图

在对称轴(Z 轴,位于Ñ区)上,正应力的海尔茨公式为

R r |r=0=R H |

r=0=

-(Hu )q 0(1-

z a arctan a

z )+q 02a 2z 2+a 2

R z |r=0=-q 0a 2

r 2

+a 2

(4)

式中应力均为主应力,负号表示压应力。随着与压力面(Z 轴)距离的增大,R r 、R H 、R z 均减小,而R r =R H 比R z 减小得更快。当z =0时,则有

R r |r=0=R H |r=0=-1+2u

2

q 0R r |r=0=-q 0

若选取内摩擦系数u =013,则压力面中心的压应力为

R r |

r=0=

R H |r=0=-018q 0

R z |r=0=-q 0

由此可见,在压力面中心点的材料受到围压P =018q 0、偏压$q =012q 0的作用,接近于各自均匀的压缩状态,在围压数倍于偏压的情况下,材料几乎不发生破坏。离开中心点后,材料受到的围压和偏压均减小,但围压比偏压减小更快,例如,在z =a /2和z =a 处(r =0)的应力状态分别为

R r |r=0=

R H |r=0=-0118q 0R z |r=0=-018q 0

(z =a /2)R r |

r=0=

R H |r=0=-01029q 0

R z |r=0=-015q 0

(z =a )

由上列四式可知,离压力面中心点越远,材料受

到的围压越小,因此材料更有可能在压力面下方一

定距离处首先发生破坏,开裂方向平行于最大压应力方向(Z 轴方向),此裂纹即为中位裂纹(MC)。当压力不足以产生中位裂纹时,在压力面中心附近区域的材料将发生明显的塑性变形,其它各处的材料则保持弹性状态。

在接触面边缘(图3中II 区),R z =0,R r =-R H

=

1-2u

3

q 0,此时拉应力达到最大值,由R r 引起的裂纹即为赫兹裂纹(CC)。在II 区以及I 、II 区毗邻的区域,由于不具备高围压条件,因此材料未表现出塑性。

由此可见,硬脆材料在切深很小时,具备了良好的塑性变形条件,从而形成磨削过程中的犁沟阶段。即使在脆性切削阶段,与磨粒接触的材料表面仍表现出良好的塑性变形(但下层材料发生了破坏)。

312 硬脆材料在磨粒推挤作用下的断裂行为脆性材料(如玻璃)与塑性材料(如金属)在单轴拉伸、扭转时的断裂形式对比见表1。可见,金属的断裂方向平行于最大剪应力方向,符合最大剪应力准则;而玻璃的断裂方向则垂直于最大拉应力方向,符合最大拉应力准则。

表1 硬脆材料与金属材料的断裂形式对比

断裂形式金属材料脆性材料

拉伸扭转断裂方向平行于最大剪应力垂直于最大拉应力符合准则

最大剪应力准则

最大拉应力准则

研究表明,金属材料在单轴或多轴压缩时的破

坏仍符合最大应力原则,而脆性材料的破坏机理至今仍不十分清楚。近一、二十年的研究表明,在单轴压缩或围压压缩时,脆性裂纹总是趋于剪切载荷最小的方向(即压应力最大的方向),大多数裂纹是张性的;随着外应力的增大,微裂纹数量不断增加,大量微裂纹相互交错连接,致使脆性材料发生完全破坏。同时,随着围压的增大,材料的塑性也增大,微裂纹的扩展方向将偏离最大压应力方向。此时,一部分微裂纹的扩展是张性的,另一部分则是剪性的;

当围压很高时,则主要发生剪切破坏。

硬脆材料在磨粒作用下的受力情况较复杂,不能简单归结为张性断裂或剪切断裂。在磨粒刃尖附近,材料受到很高的围压,因此将主要产生剪切移动(犁沟)或剪切破坏形成的密实核;在远离磨粒刃尖

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