陶瓷磨削机理及磨削加工技术研究进展

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1、第z6眷第：鞋湖南大学学机(电蓐科学t)Vol-孙·No·2199年4月Journa[ofHunanUnlversity(N●turalScknccsEdition)^Ⅳ-109陶瓷磨削机理及磨削加工技术研究进展‘于怡青徐西鹏沈剑云何江月(华侨大学机电工程系，中国泉州·362011)摘要磨削是目前先进陶瓷的主要加工方法，但加工成本太高成为先进陶瓷更广泛应用的主要障碍，为了开发新的、低成奉的加工方法，需要更深入地揭示加工机理，本文介绍了目前在陶瓷磨削机理方面的研究进晨以及建立在机理研究成苯基础上的几种先进陶瓷磨科加

2、工新方法·关麓词先进陶瓷，磨削机理，加工效率，表面质量I胸瓷的应用及其对加工技术的挑战先进陶瓷由于其杰出的耐磨和耐腐蚀等性能，在汽车、航空航天以及制造领域的应用日益广泛，主要的例子有切削刀具、阀、轴承以及密封元件等．但这类冉瓷元件对加工表面层特性的要求却近乎苛刻．即使达到镜面级的加工质量，其强度也会由于加工过程中出现的用耳前的检测手段还无法检测的亚表面层损伤而明显下降“1]．由于对加工表面层质量的要求如此严格，目前冉瓷的加工戚卒已占到整个冉鬻元件成本的80斯～90％”。3，尽管，陶瓷元件具有诱人的机械与化学特性，

3、由于高的加工成本以及难以控制的加工裹面损伤层。其更广泛的应用受到极大限制．在陶瓷加工中，使用金剐石的磨削加工仍然是目前最常用的加工方法，占所有加工工艺的80％．由于磨削加工可能是人们对所有的常用加工工艺中了解最少的加工工艺，因此，它也是这些工艺中去除单位工件材料加工成本最昂贵的工艺，磨削加工目前仍更多的依赖经验知识“：．而目前磨削先进冉瓷的技术基础也大多基于对金属磨削过程的经鼍知识“]．因此，陶瓷磨削加工存在的主要问题是缺乏对加工过程本身以及金刚石工具的足够认识．提高材料去除率可明显降低加工成本，但必须以不引起加

4、工表面损伤为前提，耍做到这点又必须建立在对陶瓷磨削机理以及各种加工参数对加工表面损伤的髟响规律有了深入了解的基础之上．围绕这些问题，国内外学者进行了大量深入的研究，就冉瓷庸翻中材料的去除机理、金刚石磨粒的失效机理以及加工过程中各种过程输出参量的作用机理等方面取得了许多有价值的成果．并在此基础上提出了许多新的磨削加工技术，本文在尽可能的前提下，讨论几种比较有代表性的研究成果．2冉瓷磨削机理研究进展2．1压囊断囊横型如图1所示的“压痕断裂模型”是最早解释冉瓷加工过程的模型硼，根据该模型，只要·收藉日期，1999-05

5、一03．4￡潮。叠第2期于怡青等：一瓷磨削机理及磨削加工技术研究进展49——————————————————————————————————————————————————————————一———————————————————————————————————————一压头(磨粒)上所受的力超过一l临界值，就会产生侧边裂纹，材料便以断裂方式去除．而这一临界值与陶瓷材料的硬度及断裂韧性相关，载荷低于这一『临界值，侧边裂纹就不会出现，磨粒一工件界面将产生塑性流动，这就是所谓的“塑性域磨削”的概念，这一磨削概念的目的是

6、保持每颗磨粒所承受的力低于产生侧边裂纹的临界载荷⋯，母1Uickers压头作用下的塑性区与裂纹示意图Ej；≥固2单位宽度功耗与材料特性以厦耕犁面积的关系2．2陶瓷磨削中的能量消耗尽管压头断裂模型本身以及根据它所建立的关于侧边裂纹和中间裂纹的计算公式”一-都对深刻理解陶瓷磨削过程起到了重要的作用，但它却无法定量解释磨削过程中的能量消耗[9j．为此，最近有关学者又针对陶瓷磨削比能进行了深入研究[102研究发现，从陶瓷磨削加工过程中产生的磨屑形态来看，材料主要以脆性方式被去除，但脆性断裂所消耗的能量不足实测比能的1％．

7、而在工件已磨削表面存在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．引人磨粒耕犁面积的概念，发现能量消耗与其存在很好的线性关系．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，并借用upperbound方法⋯]求解了耕犁能．更进一步的研究表明．表面耕犁能与陶瓷材料性能指标阃有一定的对应关系，特别是与材料的硬度H和断裂韧性缸关系最为密切，表面能正比于k3”H．这点和压痕断裂模型分析中所得到的产生临界裂纹的压力与H和缸的关系十分相似，其间可能暗示着某种关系，图2是磨削几种典型陶瓷

8、时单位宽度功耗与材料特性以及耕犁面积的对应关系．尽管这项工作对定量解释磨削比能提供了一条途径．但在考虑耕犁面积，材科的性能以及能量消耗于摩擦，磨屑运动等其它内容的比例与可能性等方面均存在许多不足，所产生的磨屑中，尽管大多数表现出脆性特点，有时也出现卷曲的类似金属加工的有明显塑性变形特点的磨屑，所有这些现象必及产生的条件还有待更深人的研究．2．3冉瓷磨削加工的系统研究方法虽