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工程陶瓷材料珩磨理论与实验研究

于爱兵  
【摘要】:珩磨是金属材料加工领域中的一种高效精加工方式。随着新型陶瓷材料在工程上的广泛应用,为工程陶瓷的珩磨加工提出了许多新的研究课题。本文将对工程陶瓷材料的珩磨加工进行系统的理论与实验研究。 珩磨是一种低速磨削,具有陶瓷磨削的一般规律。应用弹性理论建立了陶瓷材料的压痕应力场和单金刚石颗粒磨削应力场。在压痕断裂力学基础上,分析压痕裂纹和磨削裂纹的形成过程以及影响因素。指出陶瓷材料的两类压痕裂纹:中位/径向裂纹系统和侧向裂纹系统可作为陶瓷材料磨削加工过程研究的理论基础。根据磨削应力场的应力分析,从理论上首次论证陶瓷材料磨削裂纹的成因和产生位置以及陶瓷材料和加工方式对磨削过程的影响。在磨粒前下方,受第二主应力的作用,磨削裂纹主要沿磨削方向开裂;在磨粒后方,受第一主应力的作用,产生垂直磨削方向的磨削裂纹。陶瓷材料的机械性能是影响磨削加工过程的主要因素之一,在相同加工条件下,不同的陶瓷材料其加工性能不同。脆性大的陶瓷材料磨削应力场中具有高的主应力极值,且其临界压痕载荷小,所以更容易产生磨削裂纹,材料容易去除。反之,韧性高的陶瓷材料,磨削加工中材料不易去除。加工方式是影响陶瓷材料磨削过程的另一个因素,适当选择加工方式可以达到不同的粗、精加工目的。精加工中,适当增加切向磨削分力与法向磨削分力之比,可以使陶瓷材料的加工塑性区更靠近磨粒前方的加工表面,有助于陶瓷材料的塑性去除;粗加工中,增加磨削分力比可以增大磨削应力场中的主应力极值,有助于材料的脆性去除。上述研究工作奠定了工程陶瓷珩磨加工的基础研究理论。 根据工程陶瓷材料的珩磨加工特征,分析了陶瓷材料珩磨加工机理。首次深入系统地研究了珩磨附加拉应力、珩磨轨迹网纹交叉点以及陶瓷材料表面多磨粒磨削裂纹等三个方面对陶瓷材料加工去除过程的影响作用。被加工孔类零件内部的周向珩磨附加拉应力是珩磨加工方式所特有的,对于抗拉强度低、脆性大的陶瓷材料,其附加拉应力对珩磨过程的材料去除有重要影响作用。珩磨附加拉应力增大了零件加工表面裂纹尖端的应力强度因子,因而,加工中更容易满足裂纹扩展的断裂判据。珩磨附加拉应力的存在有效地降低了临界磨削应力,增加加工裂纹的初始长度,使陶瓷材料的珩磨加工容易进行。珩磨加工的特征之一是加工轨迹相互交叉,脆性材料机械加工中在棱角处极易产生“崩边”


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