陶瓷磨削材料去除机理的研究进展

横向裂纹是在卸载时产生于靠近塑性区底 部并在与样件表面几乎平行的面上横向扩展 裂
" < : 纹向自由表面的偏移导致材料的断裂去除 9 /
式来完成的 / 而塑性成形去除方式类似于金属磨 削中的切屑成形过程 其中涉及了滑擦 . 耕犁和切
< " # : 屑成形 材料是以剪切切屑成形方式去除的 9 /
研 究 表 明当用钝的压头对脆性材料进行压 痕 试 验 时将 产 生 赫 兹 锥 形 裂 纹显 然由钝压头 和锐压头所产生的应力场是不同的 / 对于锋锐压 头将在 压 头 尖 端 正 下 方 相 当 小 的 区 域 里 产 生 压 应力场 在径向方向 存在特别的拉应力以至会产 生裂纹 / 对于钝的压头 所产生的应力场主要为压 应力 这些自激压裂纹将会抑制裂纹生成 /
本文主要就国内外在陶瓷磨削的材料去除机 理 方面所 取 得 的 研 究 进 展 做 一 个 介 绍 并就其展 开一些讨论 /
图 " 普通维氏四面体压头作用 变形和裂纹系统图
" 陶瓷磨削的材料去除机理
材料去除机理一般有脆性断裂和塑性成
+ : 形9 通常情况下 脆性断裂的材料去除方式是通 / < 5 : 过空隙和裂纹的成形或延展 . 剥落及碎裂 9 等方
中国机械工程第 " &卷第 " +期 ’ # # ’年 5月下半月
文章编号 ! " # # $ %" & ’ () ’ # # ’ * " + %" , # + %# $
陶瓷磨削材料去除机理的研究进展
邓百度文库晖 张 璧 孙宗禹 周志雄
摘 要! 磨 削 是 目 前 工 程 陶 瓷 的 主 要 加 工 方 法为 了 开 发 新 的 高 效. 低成 本. 低损伤加工陶瓷的方法 需要更深入地揭示其加工机理 / 介绍了陶瓷磨削 的材料去除机理 方面的研究 进展 就 其 进行 了 一 定的 讨论 并 得出 相关 的结 论/ 关键词 ! 先进陶瓷 0 材料去除机理 0 脆性断裂 0 塑性变形 0 延性域磨削 中图分类号 ! , 1 2" 文献标识码 ! 3
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= %A ( # B 3 ’ >* =$ ; ( D # E3 . F G H I3 ;C . ; =C $ D . F G H I3 E % 式中 ! D L D ; % 和 E 为常数 "
> + # & 1 A1 # 7 , 5
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. 1 3 . 7 3 . , 3
9 " $ : 获得的变形和断裂 见图 " 在压头正下方是塑 / 性变 形区 从 这 个 永 久 变 形 区 开 始 形 成 ’个 主 要
在 陶 瓷 加 工 中使用金刚石工具的磨削加工 仍 然是目 前 最 常 用 的 加 工 方 法 占所有加工工艺 被磨 的+ # 7/ 由于陶瓷材料的高硬度 和高 脆 性 陶 瓷 元 件 大 多 会 产 生 各 种 类 型 的 表 面; 亚表面损
" : 伤层 使其更广泛地应用受到限制 9 /
削加工模型近似处理 / 材料去除基于晶粒去除 . 剥 落. 脆 性 断 裂. 破 碎. 晶界微破碎粉末化去除和塑
" # 8" & : 性成形去除方式等 9 /
= > = 压痕断裂力学模型和切削加工模型 压痕断裂力学模型是把陶瓷磨削中磨粒与工 件 的相 互 作 用 看 作 小 规 模 的 压 痕 现 象 由普通维 氏四面体压头在玻璃和陶瓷的法向方向接触下所
) 将( 可以 > 值 与 单 颗 磨 粒 平 均 载 荷 相 比 较! 用来预测磨削过程是横向断裂过程还是塑性切除
示了沿 沟 痕 的 塑 性 变 形 L 横向断裂以及刀头前方 的破碎现象 " 热压氧化铝陶瓷的 观察结 果见图 1 " 当切深为 %U 时 只有塑性变形引起的耕犁脊峰 V ! 见图 1 这表明径 向载荷 低于产 生裂 纹的临 界 . W 3 ! 载荷值 9 当切深为 %X 7 见图 1 在沟 < +U V 时. Y 3 ! 痕 表面可 同 时 观 察 到 鳞 状 破 裂 裂 纹 和 塑 性 流 动 ! 且材 料的 去 除 多 为 细 小 破 碎 微 粒 形 式 9 当切深达 见图 1 横向裂纹从切沟径向扩展 ! 到% ;U V时 . F 3 ! 当切深更大时将导致大规模的铲除和破碎 " 最 近对 氧化铝 L 玻璃 陶瓷 L 氮 化 硅L 碳化硅等
’ 8< : 伤9 / 陶瓷高效磨削加工 的目标是 在 保持 足 够
的裂纹系统 ! 中央 ; 径向裂纹和横向裂纹 / 材料强 度 的 降 低 通 常 是 由 中 央; 径向裂纹和残余应力的 扩展引起的 /
材料表面完整性和尺寸精度的同时获得最大的材 料去除率 / 然而 采用大的材料去除率降低加工成 又受到导致陶瓷元件强度损失的表面 ; 亚表面 本, 6 : 损伤所限制 9 /
陶瓷磨削大多使用了压痕断裂力学模型或切
收稿日期 ! ’ # # " 4# 5 4’ 6 基 金 项 目 !国 家 + , &高 技 术 研 究 发 展 计 划 资 助 项 目 ) ’ # # " ’ " " + # * 33$ 万方数据
?" , # + ?
陶瓷磨削材料去除机理的研究进展 [[ 邓朝晖
统的 研究 ! 研究中采用了配有超精密进给控制装 置 的 专 用 磨 床! 结 构 刚 性 好! 实 时 控 制 磨 削 进 给! 使用先进砂轮修整技术和环境抗干扰技术 & 在磨 削深 度足 够 小 的 情 况 下 ! 所有脆性材料将以塑性 研究表明 ! 对于 流动去除而不是以脆性断裂去除 & 各种脆性材料在对应的脆性转变时的磨削进给量 与材料性能 7 如断裂韧性 4 硬度 4 弹性模量 8 之间存 这种关系可通过一个简单的能量 在一 定的 关 系 ! 原理方程来描述 & 碳化硅的塑性状态磨削的磨粒 切削深度 9 约为 $ 当9 大于 这个 < #2 - 或更少 ! : ; : ; 数值时 ! 磨削方式从塑性转变为脆性去除 &= / > ? 0 @ 对塑性域磨削方式的定义是基于脆性材料被磨表 面的破碎表面相对面积率为 + $ A 以下 & # + % 不同的结论来自于 B? 等" 的研究 ! 在他 C D E 们的研究中 ! 临界值 9 比经采用 = / > ? 0 @定义所确 : ; 定的 9 值 要 稍 大 点 这 表 明 破 碎 损 伤 表面率应 ! ! : ; 大于 + $ A&如果把塑性域磨削方式定义为获得最 大 表面 强 度 的 磨 削 方 式 ! 可发现对于热压氮化硅 陶 瓷 的 金 刚 石 磨 削! 其临界的 9 < + , : ;约 等 于 $ 2 -& 尽管塑性域磨削方式能获得相当好的表面质 但这种加工方式效率较低且成本高 & 一种可能 量! 的增加塑性流动并也能得到高磨除率的加工方式 是采用高的砂轮磨削速度 &提高砂轮速度 F G可以 在不降低材料去除率的前提下降低单颗磨粒的未 变形 切屑 厚 度 ! 这就意味着单颗磨粒的磨削力较 小! 表 面 粗 糙 度 小! 表 面 碎 裂 少! 表面强度损失减
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对于 大 接 触 载 荷 . 由式. (@ ( 3 ! 1 3可 简 化 ; + # K 这与中央 #径向裂纹的公式 . 为 ( ( AM = > ! AM = 3相似 "
7 # 1 > ) $ % N ’ 产生横向裂纹的最小临界载荷 ( > 为
邓朝晖 副教授
工 程 陶 瓷 具 有 高 硬 度. 高 耐 磨 损. 抗 腐 蚀. 耐 热特性 . 高刚度重量比 . 低密度和极强的化学惰性 等诸多优越性能 被广泛应用于精密轴承 . 汽车零 部件 . 仿生兼容植入体 . 密封元件 . 耐火材料 . 切削 刀具和电子元器件等 / 这些陶瓷元器件的应用是 需 要高的 尺 寸 精 度 和 表 面 完 整 性 的 其加工成本 已 达整个 陶瓷元 件成本的 + 陶 # 78 5 # 7/ 显然 瓷元件的加工高成本以及难以控测的加工表面损
图 1 氧化铝陶瓷的刻划实验过程示意图
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中国机械工程第 + Q卷第 + O期 # $ $ #年 6月下半月
陶瓷 材 料 加 工 的 观 察 表 明 ! 在陶瓷磨削过程中晶 界微破碎和材料晶粒状位错在材料去除过程中也
# $ % 起 了 关 键 作 用" 在 磨 削 过 程 中! 单个金刚石颗 &
% 1 ’ 的去除机理 $ "
在 材 料剥落去 除机理 中 ! 材料 是因磨 削 过 程
. % 3
中所产生的横向和径向裂纹的扩展而形成局部剥 落块来 去 除 的 ! 但裂纹的扩展会大大降低工件的 机械强度 " 当用金刚石砂轮磨削多晶结构氧化铝陶瓷 时! 材料去除主要以脆性断裂方式完成 " 当磨粒从 一开始磨 过 陶 瓷 表 面 时 ! 在材料亚表面层产生了 内应力 ! 裂纹形成及扩展导致材料强度和精度的 损 失" 因此! 当砂 轮再次 磨过表 面时 ! 大部分 磨削 比能 并不 消 耗 于 切 屑 成 形 方 面 ! 这缘于材料已脆 裂! 也就是说 ! 一些结合键 . 剂 3已 被破坏 ! 磨 粒仅 仅是在移去这些材料 " 除了横向裂纹断裂 . 剥落 3方 式外 ! 材料 脆性
从式 . 产生裂 纹的载荷 临 界值 与 陶 过程 " + 3看出 ! 瓷材料的 硬 度 及 断 裂 韧 性 相 关 ! 当载荷低于这一 临界值 ! 横向裂纹就不会出现 ! 磨粒与工件界面将 产生塑性流动 " 切削加工模型则是近似包括了切削力测量和 磨屑及加工表面形貌显微观察在内的通用磨削机 理研究方 法 " 该模型近似研究常常要用到扫描电 子显微镜 L 透射电子显微镜或其它一些观测方法 " 从陶 瓷 磨 削 加 工 过 程 中 产 生 的 磨 屑 形 态 来 看 ! 材 料主 要 以 脆 性 断 裂 方 式 被 去 除 ! 但脆性断裂所消 耗的 能 量 不 足 实 测 比 能 的 % 在磨削表面存在 Q" 大量磨 粒 耕 犁 留 下 的 纹 路 ! 而且在纹路两侧有明 显的 塑 性 变 形 凸 起 及 撕 裂 涂 覆 物 " 引入磨粒耕犁 面积 的 概 念 ! 发现能量消耗与其存在较好的线性 关系 ! 因而 推 断 陶 瓷 磨 削 中 能 量 主 要 消 耗 于 发 生 在耕犁过程中的塑性变形 " 进一步研究表明 ! 表面 耕犁能与陶瓷材料性能指标间有一定的对应关 系! 特别 是 与 材 料 硬 度 6 和 断 裂 韧 性 45 关 系 最 7 # 1 为密切 ! 表面能正比于 45 6" R S 陶瓷磨削中的材料脆性去除 脆性去除主要有晶粒去除 L 材料剥落 L 脆性断 裂L 晶界微破碎等 "在晶粒去除过程中 ! 材料是以 整个晶 粒 从 工 件 表 面 上 脱 落 方 式 被 去 除 的 " 这种 万方数据
面的材料破碎是表面圆周应力和剪切应力分布引
. + 3
% K ’ 起的各种形式破坏的结果 $ " T ’ % T ’ 对 氮 化 硅$ 和 氧 化 铝 陶 瓷$ 的刻划实验显
( *D . 4# 63 O . J # 63
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式 中! D为 量 纲 一 常 数 9 O . J # 63 为 衰 减 函 数 ! 这 里
K ! % 7 ’ 去除 还 和 破 碎 . 碎 裂 3有 关 $ 磨粒前端和其下 !
式中 ! 为常数 ! 普通维 氏 压 头 / 和 2为 常 数 ! / *1 8 9 0 0 : % ! 2: ; < 1 9 45为陶瓷材料的断裂韧性 9 6 为材料的硬度 "
图% 中横向裂纹长度 = 可用简单的样板原理 > 建立模型 如果用 ?表示 自由表面 到 裂纹 表 面 ! % + ’ 若= 则横向裂纹大小 $ 为 的距离 ! ! >@ ?
张
璧
孙宗禹等
根 据 压 痕 断 裂 力 学 模 型! 只要压头上所受的 力超过一临界值 ! 就会产生裂纹 ! 材料便以断裂方 产生中央 # 径向裂纹的临界载 式去除 " 研究表明 !
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) 1 , ( *+ , + . / # 0 23 . 4, # 673 5
材料去除机理发生同时伴有材料的剥落去除方 式! 而剥 落 去 除 方 式 是 陶 瓷 材 料 磨 削 中 十 分 重 要