硬脆材料精密磨削的磨削力及表面质量测试与分析实验

硬脆材料精密磨削的磨削力及表面质量测

试与分析实验

一、实验目的

了解硬脆材料精密磨削加工方法以及磨削过程中磨削力的变化特点；

了解磨削后表面质量测试分析方法；

了解相关测试分析仪器（Kistler、SEM、AFM、Leica）的工作原理、功能及使用方法。

二、磨削力测试

磨削(Grinding)是一种精密加工方法，能获得很高的加工精度和表面粗糙度。对于当今的高温结构陶瓷、钛合金、高温合金、超高强度钢等难加工材料而言，磨削是一种非常有效的加工方法。

高温结构陶瓷属于一种典型的硬脆材料，其性能主要有：硬度比金属高一倍多，具有好的耐磨性；高温结构陶瓷的脆性高，受到外力作用下容易发生断裂；在1200~1500℃的高温下能保持较高的强度，具有良好的抗热冲击性；高温结构陶瓷的导热性较差，热膨胀系数小；高温结构陶瓷的密度仅为普通钢材的二分之一至三分之一；高温结构陶瓷的弹性模量比金属高的多，受力后弹性变形小。

由于高温结构陶瓷的脆硬性，通常用超硬磨料磨具进行精密与超精密加工。其磨削过程中磨削力比较大、磨削比小、砂轮磨耗量大、表面质量不易控制导致生产率低。

1、实验原理及设备

磨削力是研究磨削现象的一个重要参数，磨削力测量和采集是磨削实验中重要内容，需要使用测力仪和采集软件。测量磨削力的设备使用瑞士生产的KISTLER9257BA三坐标测力仪，采集磨削力的软件采用DYSLAB软件。

KISTLER9257BA三坐标测力设备原理：

利用压电陶瓷原理，将微弱的由力产生的变形信号转换为电信号，根据事先标定的值得到力值。测力仪在上面板和底板之间有四个三向力传感器，它们都不接地。隔热层保护传感器不受外界温度影响。将测力仪用管接头和控制单元设备5233A1连接构成了测力系统(图1) 。

2、检测软件

DASYLab是一个集数据采集、过程控制及数据分析于一体的软件系统。

在DASYLab中，通过选择和任意摆放模块元素，并且把鼠标把这些模块元素连接起来，能够直接在屏幕上对测量、过程控制或者仿真任务进行设置。

使用黑箱模块组合实验当中需要重复使用的工作页元素，并且把它们整合到黑箱模块

中，插入到工作页中。最大工作页尺寸为2000*2000像素，工作页可包含的模型数可达256，大多数模型能够配置的输入和/或输出数达16个。

可以自定义位于屏幕左边的模型工具栏，以满足用户的使用要求。使用专用模块可把结果以图形或数字的形式显示出来，这可以通过使用示波器模块进行有效的处理。

完整的实验设置，包括所有的当前选择的参数，窗口位置和附加信息能够保存到一个文件当中，并且可以再次被打开。采集的数据和过程的结果也能被保存到文件当中，这些数据和结果能够进行详细的分析或者是用于仿真和训练。

通过使用合适的数字I/O或D/A转换模块可以控制外部系统。DASYLab提供了广泛的功能强大的二位操作（AND/OR/NOT等）模块，计数器，和PID控制函数。

实验原理图如下：

图1 磨削力测量系统原理示意图

3、实验步骤

a)连接测力仪和计算机，打开电源。

b)设置测力仪的量程，按清零键。

c)启动DASLAB软件，打开数据采集文件。

d)运行软件。

e)设置采样频率和采样时间，按清零键，然后按采样键，开始采样。

f)保存采样结果。

g)结束软件运行，取下设备，关闭电源。

三、磨削表面测试

1、扫描电子显微镜

扫描电子显微镜JSM-5610LV通过试件台的X、Y向以及旋转运动可以观测最大直径为125mm的试件，所有的操作均可以通过电脑鼠标来完成。提供完整的实用自动功能，比如自动电子枪共轴调整、自动聚焦、自动像散校正、自动亮度/对比度校正等。充分利用计算机就可以实现对SEM的所有操作，从仪器抽真空到图像观测和报告制作，简便快捷。用低真空度模式可以观测不带导电涂层的非导电试件。

1）扫描电子显微镜功能

扫描电子显微镜是以电子束作为照明源，把聚焦得很细的电子束以光栅状扫描方式照射到试样上，产生各种同试样性质有关的信息，然后加以收集和整理，从而获得微观形貌放大像的一种显微镜。

2）扫描电子显微镜原理

以类似电视摄影显像的方式，利用细聚焦电子束在样品表面扫描时激发出来的各种物理信号来调制成像的。

由发夹式电子枪所发射出来的电子束，在加速电压（2～30KV）的作用下，经过两个电磁透镜，会聚成一个细小的电子探针，在末级透镜上部扫描线圈的作用下，使电子探针在试样表面做光栅状扫描。高能电子与物质相互作用，在试样上产生各种信息如二次电子、背反射电子等。从试样中所得到各种信息的强度和分布各自同试样的表面形貌、成分、晶体取向、以及表面状态的一些物理性质(如电性质、磁性质等)等因素有关，因此，通过接受和处理这些信息，就可以获得表征试样形貌的扫描电子像，或进行晶体学分析和成分分析。

检测－放大系统的作用是把入射电子和物质相互作用所产生的各种信息进行接受和放大，并转化为视频信号电压。

闪烁晶体检测系统是由收集极，闪烁晶体，光导管和光电倍增管的前置放大器组成。在收集极电场的作用下，从试样表面所发出的电子信息，通过闪烁晶体转换为光子，光子通过光导管进到光电倍增管被放大并转换为信号电流再通过放大器的放大后转换为信号电压。3）扫描电子显微镜成像类型

a)二次电子像SEI（Secondary electron image）

在入射电子束作用下被轰击出来并离开样品表面的样品的核外电子叫做二次电子。由于原子核和外层价电子间的结合能很小，因此外层的电子比较容易和原子脱离，使原子电离。

二次电子一般都是在表层10nm深度范围内发射出来的，它对样品的表面形貌十分敏感，因此，能非常有效地显示样品的表面形貌。二次电子的产额和原子序数之间没有明显的依赖关系，所有不能用它来进行成分分析。

二次电子像具有无阴影的性质，故在二次电子像中可以看到细节。

b)背散射电子像BEI（Backscattered electron image）

背散射电子是被固体样品中原子核反弹回来的一部分入射电子，其中包括弹性背散射电子和非弹性背散射电子。弹性背散射电子是指被样品中原子核反弹回来的，散射角大于900的那些入射电子，其能量没有损失(或基本上没有损失)。非弹性背散射电子是入射电子和样品核外电子撞击后产生的非弹性散射，不仅方向改变，能量也有不同程度的损失。

背散射电子来自样品表层300nm的深度范围，由于它的产额随样品原子序数增大而增多，所以不仅能用作形貌分析，而且可以用来显示原子序数衬度，定性地用作成分分析。

c)HV模式：（二次电子探测器、背反射电子探测器）

HV模式主要用于高分辨率形貌观测

分辨率（SEI）：

保证3.0nm （Acc.V 30kV，WD6mm）

放大倍数18～300，000

成像类型SEI，BEI