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工程陶瓷高速深磨机理及热现象研究

谢桂芝  
【摘要】: 工程陶瓷具有强度高、硬度大且耐磨损等优越的性能。然而,这也使工程陶瓷材料难于加工、在加工表面/亚表面易产生损伤,导致其加工效率低、成本高。正是这些加工难题限制了工程陶瓷的广范使用。本课题旨在将高速深磨工艺应用于工程陶瓷加工,深入研究工程陶瓷磨削机理和高速深磨的磨削机制,为该难题的解决提供有效方案、实验基础以及理论依据。 本课题对氧化铝、氧化锆和氮化硅这三种陶瓷进行了系统的高速深磨实验,研究了陶瓷材料的显微结构、物理性能及磨削参数对磨削表面/亚表面特征、磨削力、磨削能量和磨削温度的影响,并对部分工况下磨削温度中途急剧升高的原因和机理进行了系统的研究。磨削实验中,使用最高砂轮线速度达160m/s、最大磨削深度达6mm、从而使最大磨除率达到120 mm~3/(mm·s),工件亚表面残留裂纹的深度不大于10μm,这种损伤深度能在后续的精加工中轻易去除。 大量的研究表明工程陶瓷材料的去除机理在很大程度上受其显微结构和物理特性的影响。本课题选用的三种材料在其显微结构和物理性能上具有独特的特征。晶粒尺寸大、硬度大且韧性低的特点使氧化铝的延/脆性临界切深小,易发生脆性断裂去除,它的磨削表面以脆性断裂痕迹为主要特征,亚表面频繁出现沿着晶粒边界的裂纹。部分稳定氧化锆的晶粒细密、韧性最好、硬度最低,延/脆性临界切深也最高,磨削表面以显微塑性变形为主要特征,只是部分区域出现了脆性剥落坑,与之相吻合的是在它的亚表面也偶尔可观察到尺寸较大的横向裂纹。氮化硅晶粒细密,具有较高的韧性和较低的硬度,综合的延性指标较好,磨削表面和氧化锆的类似,也以显微塑性变形为主要特征。三种材料中氧化铝的表面粗糙度最大(R_a约为0.9μm),氧化锆与氮化硅的表面粗糙度值接近(R_a约为0.7μm)。最大未变形切屑厚度降低,磨削表面的塑性去除痕迹增加,脆性断裂痕迹减少。 为了更进一步地了解工程陶瓷在高速深磨中的材料去除机理,本课题建立了工程陶瓷高速深磨的磨削力模型,该模型计算值和实测值的趋势一致,数值也相近。理论和实验结果均表明,陶瓷磨削力与陶瓷材料力学性质、去除方式及磨削参数有着密切关系。在以塑性变形为主的磨削过程中磨削参数对磨削力的影响要大于以脆性断裂为主的磨削过程。塑性变形为主的磨削过程中,显微硬度高的材料磨削力大,而在以脆性断裂行为主的磨削过程中,断裂韧性高,显微硬度低的陶瓷磨削力大。高速深磨试验也表明塑性去除为主的氧化锆和氮化硅的比磨削能高于以脆性断裂去除为主的氧化铝。 磨削温度的测试和分析表明93%以上的能量消耗于金刚石砂轮对陶瓷工件的划擦和塑性耕犁作用过程,并转化为热能,且只有极少一部分的热传入工件,绝大部分的热量被冷却液、磨屑和砂轮带走,使得磨削区的温度通常保持在100~300℃范围内。各种陶瓷材料的磨削温度和磨削区热通量有着良好的线性关系。在实验过程中发现部分工况的最高温度可达600~1100℃,接近干磨温度。研究确定产生这一现象的原因是磨削区的冷却液沸腾。


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