工程陶瓷高速深磨機(jī)理及熱現(xiàn)象研究.pdf

1、工程陶瓷具有強(qiáng)度高、硬度大且耐磨損等優(yōu)越的性能。然而，這也使工程陶瓷材料難于加工、在加工表面/亞表面易產(chǎn)生損傷，導(dǎo)致其加工效率低、成本高。正是這些加工難題限制了工程陶瓷的廣范使用。本課題旨在將高速深磨工藝應(yīng)用于工程陶瓷加工，深入研究工程陶瓷磨削機(jī)理和高速深磨的磨削機(jī)制，為該難題的解決提供有效方案、實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)以及理論依據(jù)。 本課題對(duì)氧化鋁、氧化鋯和氮化硅這三種陶瓷進(jìn)行了系統(tǒng)的高速深磨實(shí)驗(yàn)，研究了陶瓷材料的顯微結(jié)構(gòu)、物理性能及磨削參數(shù)

2、對(duì)磨削表面/亞表面特征、磨削力、磨削能量和磨削溫度的影響，并對(duì)部分工況下磨削溫度中途急劇升高的原因和機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。磨削實(shí)驗(yàn)中，使用最高砂輪線速度達(dá)160m/s、最大磨削深度達(dá)6mm、從而使最大磨除率達(dá)到120 mm3/（mm·s），工件亞表面殘留裂紋的深度不大于10μm，這種損傷深度能在后續(xù)的精加工中輕易去除。 大量的研究表明工程陶瓷材料的去除機(jī)理在很大程度上受其顯微結(jié)構(gòu)和物理特性的影響。本課題選用的三種材料在其顯微結(jié)構(gòu)

3、和物理性能上具有獨(dú)特的特征。晶粒尺寸大、硬度大且韌性低的特點(diǎn)使氧化鋁的延/脆性臨界切深小，易發(fā)生脆性斷裂去除，它的磨削表面以脆性斷裂痕跡為主要特征，亞表面頻繁出現(xiàn)沿著晶粒邊界的裂紋。 部分穩(wěn)定氧化鋯的晶粒細(xì)密、韌性最好、硬度最低，延/脆性臨界切深也最高，磨削表面以顯微塑性變形為主要特征，只是部分區(qū)域出現(xiàn)了脆性剝落坑，與之相吻合的是在它的亞表面也偶爾可觀察到尺寸較大的橫向裂紋。 氮化硅晶粒細(xì)密，具有較高的韌性和較低的硬度，

4、綜合的延性指標(biāo)較好，磨削表面和氧化鋯的類似，也以顯微塑性變形為主要特征。 三種材料中氧化鋁的表面粗糙度最大（Ra約為0．9μm），氧化鋯與氮化硅的表面粗糙度值接近（Ra約為0．7μm）。最大未變形切屑厚度降低，磨削表面的塑性去除痕跡增加，脆性斷裂痕跡減少。 為了更進(jìn)一步地了解工程陶瓷在高速深磨中的材料去除機(jī)理，本課題建立了工程陶瓷高速深磨的磨削力模型，該模型計(jì)算值和實(shí)測(cè)值的趨勢(shì)一致，數(shù)值也相近。理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，陶瓷

5、磨削力與陶瓷材料力學(xué)性質(zhì)、去除方式及磨削參數(shù)有著密切關(guān)系。在以塑性變形為主的磨削過(guò)程中磨削參數(shù)對(duì)磨削力的影響要大于以脆性斷裂為主的磨削過(guò)程。 塑性變形為主的磨削過(guò)程中，顯微硬度高的材料磨削力大，而在以脆性斷裂行為主的磨削過(guò)程中，斷裂韌性高，顯微硬度低的陶瓷磨削力大。高速深磨試驗(yàn)也表明塑性去除為主的氧化鋯和氮化硅的比磨削能高于以脆性斷裂去除為主的氧化鋁。 磨削溫度的測(cè)試和分析表明93％以上的能量消耗于金剛石砂輪對(duì)陶瓷工件的