硬脆材料加工技术的研究

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式 中， 和 Ａ是勒穆 （ ｍｅ弹性常数 ； ， 、 １ ） ａ ０ｙ 是极
（研 究 与 应 用 ）
硬脆 材料加 工技术 的研究
为工件进给速度 ， ／； ｍｍ ｓ。为磨 削深度 ， ｍ； ｍ Ｖ 为砂 轮 速度 ， ／； ｍ ｓⅣ 为砂轮 动态有 效磨 刃数 ， ｍ ； ｍ ２Ｃ为磨 削
的切向载荷和定点压痕下 的法 向载荷 。 这种效应 和布 欣尼 奇 （ ｏｓｉ ｓ ） Ｂ ｕｓ ｅｑ 法相 类似 ， 们可 以利用 米切尔 ｎ 我 （ ｉ ｅ１ Ｍｃ １ ｈ ）方法来对这 两个力 同作用 与某一点而产生 的弹性应力场进 行建模 ：
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理化学研究 所的大森整等人于 １８ 年 提出了并深 入 ９７ 研究 了 Ｅ Ｉ ＬＤ砂轮在线 电解修锐技术。 在线 电解修锐 磨削 为金 属结合 剂金 刚石磨 具的 修锐 ， 了新硬脆材料的塑性磨削技术——砂轮振 提供 动及砂轮在线 自动平衡技术思路 。以平面磨削为例 ， 超精密镜面磨削原理如 图 ３所示。 与直流脉冲电源正
３ ． 电熔爆加工 ．２ ５
‘
０
电熔 爆加工技 术 同碳 弧气 刨相 比也 是将熔 融 的
金属进行剥离 ， 是在将金属熔化 的过程 中是利用 电 ≯ 但
熔技术 ， 即通过一个 或几个 自耗 电极与工件之 间对金
加工方法无法得 到精密光滑表 面。可应用 Ｅ Ｉ 削 ＬＤ磨 技术对微 晶玻璃 和光学玻璃进行磨 削 。 在配制微晶玻 璃 ＥＩ ＬＤ精密磨 削专用磨 削液后 ，利用 Ｅ Ｉ ＬＤ技术对 微 晶玻璃 进行超精密磨 削成 为一种非常有效 的手段 。 为 对脆性 材料在其 塑性域 内实 现超精 密磨 削加工 必 须满足 以下条件 ： 在砂轮 上每一个磨粒 的最大 切削深 度需要小 于脆性 材料发生脆性 破裂的临界切削厚度 。
３ 硬脆材料的切 削加 工技 术 ＿ ３
通过控制载荷来实现对硬脆性 材料在塑性域 的加工 。
金 刚石刀具切削硬脆材料 已成为可能 ， 主要是通
过在延性域超精密加工 以获得高质量表 面 ， 而延性 域
切削的理论依 据是 压痕 断裂力学 。 ３ ． 定点压头作用 ．１ ３
学者们 在过去几 十年里对 各种硬 脆材料 进行 了 大量压痕试验 ， 将金 刚石压头 以一定 的垂直力压人 材
材料首先在切削刃 附近形成裂纹 。 随着切削刃位 置的 变化 ， 向前下方扩展 ， 裂纹 其深度超过切 削深度后 ， 一 转
而 向前上方 发展 ， 终到达工 件 的 自由表面 ， 最 形成较
瞬间快 速起 动 ， 效率也会更高 。 据上述 ， 加大对硬脆材
料加工 方法研究的力度有很大的意义 。
态， 因此在磨削过程中因为磨粒原因所造成的破碎区 ０ 较小 ， 容易实现塑性方式磨 削 。对 微晶玻璃的磨削可 。 ＿
以利用 Ｅ Ｉ ＬＤ精密磨削技术实现精密磨削，获得较高 ０ 。
质量 的磨削表面。
３ 特种加 工 ． ５
轮表层 的金属基 体可 以被 电解去 除 ， 同时在砂轮表 面
是金刚石带锯 。 它的切割工具是镶焊金刚石烧结块的
环形 锯条 。最早 出现在 市场上 的金刚石 带锯是在 ２ ０ 世纪 ５ 年代 ，我 国在 ２ Ｏ ０世纪 ８ ０年代前后才 逐渐开 始研制 出该类设 备。这种切割方 式的优点是锯 口小 、
锯切速度快 、 刀具材料消耗小 、 噪音小 。 缺点是对荒料
的透镜等各类光学零件。 陶瓷材料相对于光学玻璃由
于有较好 的化学 稳定性 、 不易 被氧化腐 蚀 、 有较好 的 耐磨 性 、 高硬度 以及 能耐高温 等特点 ， 应用 范 围更 加
广泛 。 用于汽车工业 所研制的发动机可实现柴油机 应
过程中， 切削刃附近所受的拉应力最大。 所以， 被切削 ◆
硬脆 材料 的磨削加工主要存在以下问题 ： （ ） 在磨削过程 中磨屑容易堵塞砂轮从而导致磨削 １ 力增大 ， 在工件表面产生裂纹 ； （ ） 砂轮上 的磨粒很难保证分布均匀 和磨粒 的高度 ２
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砖
此种作用下的有效磨粒要同时承受运动方向上
致， 工件加工精度不易保证 。
为了解 决 以上 问题 ， 京大学 的 中川威 雄 、 东 日本
＜研 究 与 应 用 ）
一 ９ ４—
天律豫 分
好 ， 备操作方便并且效率高 。但切割 时噪音较大 而 设
且刀片刚性差 ， 切割过程 中锯片易产生振摆 、 跑偏 ， 导
致被切割工件 的平行度差 。
３ ． 带状工具切割 ．２ ２
座标 。无论是移动还是定点都会产生局部 塑性变 ， 但
硬脆材料加工技术 的研究
硬脆材料￣ ．技术的研究 １ １ Ｔ
陈振 理 （ 天津 市铁合 金 厂 ， 天津 ３０ ０ ） ０４ ０
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［ 摘要］ 对硬脆材料的各种用途和加工现状进行了综述， 根据硬脆材料抗拉强度低的特点， 建立了切削模型。介绍了切 一ｌ ｌ
削 、 削等 主要 的几 种加工方法的原理 、 用范围及最新研 究成果 ， 磨 适 硬脆材料切削和磨 削的机理和实验对 比 ， 并对特种加工做 。
硬 脆材料加工难 度很 大 ， 加工时稍不 注意就会引
大 的片状切屑 ， 并在被切削表面 留下凹痕或裂 纹。
３２ 硬脆 材料的切 割加工技 术 ．
按 照切 割工具 的形 状此 种材料 的切割方 法分 为
起 工件 表面的磨损或者破坏 。 究其原 因是其具有较高
如 图ｌ 所示的几种。
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常数 。
与研磨等磨削方式相 比 ， 在实现塑性 域磨削这一
过程 中 ， 磨粒与微 晶玻璃表 面作用 的过程 中只有 形成 ０
源自文库作 台
划痕而没有滚动挤压 ， 塑性 阈内的磨削对微晶玻璃 。 在
表 面所造 成 的裂纹 向微 晶玻 璃 的深处延 伸的趋势 较 魏
图 ３ ＥＩ ＬＤ磨削技术原理简图
小。Ｅ Ｉ ＬＤ磨削过程中磨削力要远远小于普通磨削方 ｔ ０
式 ，由于其磨粒始 终保持 在锋利 的等高 微刃切 削状 －
极相接 的金属结 合剂 超硬磨 料砂轮 与直 流脉 冲 电源 正极相接作 阳极 ， 工具 同直流脉 冲电源负极相接作 阴 极 。通过该技术 阳极可 以露 出锋 利的磨粒 ， 堵塞在砂
性较 差 ， 削热将主 要 由刀具材 料散 出 ， 切 这必将 加速 刀具 的磨损 。 ３ 硬脆材料的加工机理 、 工技术及应用 加 ３１ 硬脆材料 的切 削模 型 ． 采用二维切削方式的硬脆材料切 削模 型。 众所周 知， 硬脆材 料的抗 拉强度较低 ， 因此 ， 这类材料常受拉 应力 的作用 而破坏 。由断裂力学 的计算表 明， 在切 削 一
压痕 断裂力学模 型是 把硬脆 性材料 加工 中磨粒
与工件之间的相互作用看作小规模的压痕现象 ， 它是
基于压痕断裂力学模型产生 的 ， 图 ２ 如 所示 。当磨粒 与加工材料接触时 ， 磨粒下方工件 的材料在压应力 的
要求规 整 、 不能进行 多片切割等 。钢片切割机的原理
类似 于钢砂锯 ， 它利用 一排一定间隙 的张紧 的钢片在 工件上作往复运动进行切割 。 在钢片与工件 的接触部
是不 同于定点压痕 的是 ， 移动压头法 向接触压力 与接
触 形式取决 于压头 的几何形状。 我们可 以使用平面应 力 塑性分 析来 预测 中央裂纹的长度 。经研究 ， 在高载 荷时 ， 动压头 的残余应力成为主要 因素。 运
３ 硬脆材料的磨 削加 工技术 － ４
带 状工具切 割 中比较 有代表 性 的一 种切割方 式
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属加热使金属 达到熔融状 ， 再利用高速工作将熔融金 。 属从工件表面剥离 。电熔 爆技术 主要特点如下 。 一 （ ） 电容爆加工技术 同传 统加工技术相 比 ，加工碳 ０ １ 化钨 、 高铬合 金 、 镍基合金 、 稀土合金 、 金属 陶瓷 、 钛合 金等各种硬脆性 材料 ， 具有效率高 、 能耗低 、 成本小等
脆性材料的塑性加工 。
我们在 印压 和刻划 实验中得出结论 ： 即便是脆性
材料， 在压 人深度不 大时 ， 同样会 产生塑性 变形且 施
加 载荷存 在一定程度上是关系到裂纹产生 的长度 的。
所 以我们 提 出了以裂纹不扩展 到 已加 工表 面的脆性 材料的延 性域切 削方式 。 ３ ． 移动压头作用 ．２ ３
经成功地带 动了一批新产 品 、 新设 备的开发 。如东京
一
３ ． 碳弧气刨加工 ．１ ５
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碳弧 气刨是用 石墨棒 或碳棒 与工件 之 间产 生 电 冁 。 弧 ， 用 电弧 的高温将金 属熔化 ， 利 再利用 压缩空气 将 — 熔化的金属吹掉的一种刨削金属 的方法 。 碳弧气刨 的 蝾
形成一层 氧化膜 抑制砂轮过度 电解 ， 而使砂轮在磨 从 削过程 中始终 以最佳磨削状态进行加工 。 该技术在利 用金属基砂 轮进 行磨削加工 的同时 ， 利用 电解方法对 砂轮进行修整 ，将砂 轮修整与磨 削过 程结合在一起 ， 实现对硬脆材料 的超精密镜面磨削 。 ＥＩ ＬＤ磨削 非金属硬脆材 料技术 的发展在 国外 已
臻 ｇ
了简 单介绍。
关键词 硬脆材料 磨 削 切 削 切割 刀具 研 究
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１ 综述 近年来 硬脆性 材料 ， 尤其是 非金属 、 导 电材 料 非 以及半 导体等材 料 ， 如玻璃 、 例 各种石 材 、 宝石 、 晶 硅 体等， 它们的硬度 、 性 、 脆 耐磨 性 、 抗蚀性 、 氧化性都 抗 比较高 ， 正是 由于这些独 特 的性 质 ， 些特 殊材料 在 这 军用及 民用工业等领域应用越来越广泛 。 光 学玻璃 的应用 较为普遍 ， 可用来制作精度 较高
料 内部一定 的深度 ， 并且 观察 材料的变形情 况 。可以 得 出如下结论 ： 在很小 载荷作用下 ， 即使是 硬脆材 料
也会产生 塑性变形 。当增加 载荷 时 ， 材料的变形方式
由塑性 向脆性破 坏转变并且 在材料的表面 、 内部均产 生 由于脆性破坏 引起 的裂纹。在整个 转变的过程 中，
主要特点有 ： 灵活性很大， 可进行全位置操作； 生产效 纛 ≮
率高 ， 劳动强度 低 ， 噪声 低 ； 设备 简单 ， 缩空气 容易 压 获得且 成本低 ； 在清 除焊缝时 ， 有利于 焊接质量 的提 ｊ ｊ 高， 因其加工过程 中表面光亮在 电弧下容易发现各种 ．¨ ．
缺陷 。
物理化学研究所将 Ｅ Ｉ ＬＤ磨削技术应用于超精 密数控 加工上 ， 功地 加工 出光学玻璃 和碳 化硅 陶瓷等材料 成 的 高精 度 非 球 曲 面 。 日本 Ｋ ｒｄ ｕｏａ公 司推 出 了系列 Ｅ ｕＤ专用磨床 。 应 用在线 电解修 锐磨 削技术 磨削微 晶光 学玻璃
微 晶玻璃 和光学玻璃都属 于硬脆性材料 ， 用普 通机械
刚好产生裂纹 时所施加 的垂 直载荷即称为临界载荷 ，
而相应 的压头压人深度称为临界压 深。
图 ２ 裂纹 产 生 机 理
从加 工过程中所需能量角度来看 ， 产生脆性断裂 所需 的能量大于产生塑性变形所需能量。 在加工过程
中， 当磨削深度很小时 ， 所需 的能量很小 ， 塑性加工就 成为可能 。因而 ， 通过对磨削深度 的控制可实现对硬
优点 。
＝
０５鲁） ） ．（ （ １ 等
（ ２ ）
作用下发生塑性流动 。在载荷不大 的情况下 ， 卸载后
由于压力产生 的压痕能够保 留 ，材料不会产生裂纹 ，
脆性材料在受压过程 中也存在一个塑性变形 区域 ， 压
力撤销后无法恢 复。在 陶瓷材料 的加工过程 中 ， 可以
位持续地浇注磨液 ， 切割作用 的形成是通过钢 片将磨
液带人工件切缝 中。