第12章-硬脆材料與難加工材料磨削課件

磨削理論與工藝機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院2009.05

硬脆材料與難加工材料磨削之磨削理論與工藝機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院硬脆材料與難加工材料磨削之2第12章硬脆材料與難加工材料磨削12.1 工程陶瓷磨削12.2 玻璃的磨削12.3 石材的磨削加工2第12章硬脆材料與難加工材料磨削12.1 工程陶瓷3第12章硬脆材料與難加工材料磨削12.1工程陶瓷磨削

12.1.1工程陶瓷的種類及材料特性

12.1.2工程陶瓷磨削機(jī)理

12.1.3工程陶瓷定壓力磨削及定切深磨削特性

12.1.4加工條件對磨削特性的影響

12.1.5工程陶瓷的鏡面磨削

12.1.6加工表面變質(zhì)層的評價

12.1.7工程陶瓷的復(fù)合加工

12.1.8超聲波振動磨削工程陶瓷3第12章硬脆材料與難加工材料磨削12.1工程陶瓷磨4第12章硬脆材料與難加工材料磨削12.1.1工程陶瓷的種類及材料特性

工程陶瓷是三大工程結(jié)構(gòu)材料之一。它具有高硬度、耐熱性、耐腐蝕性、耐磨性、重量輕、脆性大的特點(diǎn)。陶瓷種類繁多；工程陶瓷分氧化鋁系、氧化鋯系、氮化硅系、碳化硅系。常用工程陶瓷材料特性示于表12-1。 工程陶瓷的結(jié)晶體是由共價鍵、離子鍵或兩者混合組成。Si3N4、SiC中主要是共價鍵，Al2O3、ZrO2主要是離子鍵。共價鍵強(qiáng)的陶瓷塑性好，即使是在高溫下其破壞韌性也不降低。離子鍵結(jié)合的陶瓷，其破壞強(qiáng)度依賴于溫度的高低。共價鍵的方向性使晶體擁有較高的抗晶格畸變和阻礙位錯發(fā)展的能力，陶瓷呈現(xiàn)高的硬度和彈性模量。

4第12章硬脆材料與難加工材料磨削12.1.1工程陶5第12章硬脆材料與難加工材料磨削12.1.1工程陶瓷的種類及材料特性5第12章硬脆材料與難加工材料磨削12.1.1工程陶6第12章硬脆材料與難加工材料磨削12.1.1工程陶瓷的種類及材料特性 破壞韌性是抗龜裂進(jìn)展的抵抗值，陶瓷破壞韌性值越大，抗龜裂的能力越強(qiáng)。破壞韌性值小的容易產(chǎn)生破碎。SiC及Al2O3的破壞韌性小，在磨削加工中容易產(chǎn)生龜裂破碎破損。ZrO2的韌性值最大，磨削容易形成塑性流動型的破損。Si3N4是介在SiC與ZrO2之間，磨削時產(chǎn)生龜裂破損與塑性流動破損混合形式。6第12章硬脆材料與難加工材料磨削12.1.1工程陶第12章硬脆材料與難加工材料磨削1.2工程陶瓷磨削機(jī)理為獲得最優(yōu)的磨削參數(shù)，需要掌握基本的磨削機(jī)理和磨削參數(shù)對工件表面損傷及機(jī)械性能的影響。多年來對陶瓷磨削機(jī)理的研究，絕大多數(shù)的研究集中在壓痕斷裂力學(xué)模型與切削模型近似。在壓痕斷裂力學(xué)模型近似中磨粒與工件相互作用的模型是建立在理想化的裂紋系統(tǒng)和由壓頭所產(chǎn)生的變形的基礎(chǔ)上的。切削模型近似則包括單刃和多刃切削力的測量，以及對磨屑的顯微觀察及對表面地貌的顯微觀察。這兩種模型的建立都為研究陶瓷磨削機(jī)理提供了重要依據(jù)。第12章硬脆材料與難加工材料磨削1.2工程陶瓷磨削機(jī)第12章硬脆材料與難加工材料磨削1.2工程陶瓷磨削機(jī)理1.壓痕斷裂力學(xué)模型壓痕斷裂力學(xué)模型近似是把陶瓷磨削中的磨粒與工件的相互作用看作小規(guī)模的壓痕現(xiàn)象。在斷裂力學(xué)中維氏四面體壓頭獲得的變形和斷裂圖形如圖12-1所示。在壓頭正下方是塑性變形區(qū)，從塑性區(qū)開始形成兩個主要的裂紋系統(tǒng)，即中央／徑向裂紋和橫向裂紋。中央／徑向裂紋通常導(dǎo)致材料強(qiáng)度降低，橫向裂紋引起材料的去除。這種模型已從靜載荷擴(kuò)展為切向載荷（移動壓頭）的情況。第12章硬脆材料與難加工材料磨削1.2工程陶瓷磨削機(jī)第12章硬脆材料與難加工材料磨削1.2工程陶瓷磨削機(jī)理a.定點(diǎn)壓頭作用下的中央/徑向裂紋中央／徑向裂紋的大小是使用解決表面點(diǎn)載荷彈性應(yīng)力場的布欣尼奇（Cpvttjoftr）方法預(yù)測的。中央裂紋的擴(kuò)展分解為彈性部分和不可逆（殘余）部分。彈性部分產(chǎn)生中央裂紋并使其在加載中向下擴(kuò)展，而殘余部分是在壓頭回撤后使裂紋繼續(xù)擴(kuò)展。通過建立壓頭下由彈性基體包圍的擴(kuò)展塑性區(qū)壓痕模型，可獲得由尖端四面體壓頭加載卸載后的穩(wěn)定裂紋大小C與加載力P的關(guān)系為H—材料硬度；E—材料彈性模量；Kc—材料斷裂韌性；Ψ—壓頭相對棱邊的夾角；ζ—常數(shù)。第12章硬脆材料與難加工材料磨削1.2工程陶瓷磨削機(jī)第12章硬脆材料與難加工材料磨削1.2工程陶瓷磨削機(jī)理a.定點(diǎn)壓頭作用下的中央/徑向裂紋上式所表達(dá)的關(guān)系只適用于所加載荷大于使材料產(chǎn)生中央裂紋的臨界狀況。臨界載荷P*為α、η、γ是常數(shù)。殘余部分的殘余應(yīng)力是裂紋擴(kuò)展的主要原因。殘余應(yīng)力的應(yīng)力強(qiáng)度系數(shù)Kγ為X為常數(shù)，V1為壓痕體積，V為塑性區(qū)體積。第12章硬脆材料與難加工材料磨削1.2工程陶瓷磨削機(jī)第12章硬脆材料與難加工材料磨削1.2工程陶瓷磨削機(jī)理a.定點(diǎn)壓頭作用下的中央/徑向裂紋球面壓頭載荷與裂紋長度的關(guān)系為上兩式分別預(yù)測了四面體壓頭時P與C的比例關(guān)系及球面體壓頭時P與C的比例關(guān)系。材料強(qiáng)度的降低通常是由中央／徑向裂紋和殘余應(yīng)力的擴(kuò)展作用引起的。靠近接觸表面的殘余壓應(yīng)力在次表面彈／塑性邊界突然躍遷為拉應(yīng)力，達(dá)到0.1～0.5H（硬度）。研究表明由壓痕引起的殘余應(yīng)力將使材料強(qiáng)度降低約30%。第12章硬脆材料與難加工材料磨削1.2工程陶瓷磨削機(jī)第12章硬脆材料與難加工材料磨削1.2工程陶瓷磨削機(jī)理a.定點(diǎn)壓頭作用下的中央/徑向裂紋根據(jù)斷裂力學(xué)理論和綜合考慮載荷對裂紋大小的影響與產(chǎn)生壓痕后法向作用力對強(qiáng)度的影響，即可得到在四面體壓頭作用下的斷裂強(qiáng)度δf：式中Y是一個與裂紋幾何形狀和方向有關(guān)的常數(shù)第12章硬脆材料與難加工材料磨削1.2工程陶瓷磨削機(jī)第12章硬脆材料與難加工材料磨削1.2工程陶瓷磨削機(jī)理a.定點(diǎn)壓頭作用下的中央/徑向裂紋根據(jù)斷裂力學(xué)理論和綜合考慮載荷對裂紋大小的影響與產(chǎn)生壓痕后法向作用力對強(qiáng)度的影響，即可得到在球面體壓頭作用下的斷裂強(qiáng)度δf：式中磨削后由中央裂紋引起的斷裂強(qiáng)度δf可由下式估算：Fn是與作用于壓痕載荷P類似的每個磨粒的法向磨削力。m為指數(shù)，鋒銳砂輪指數(shù)m=0.21，磨鈍砂輪指數(shù)m=0.32。第12章硬脆材料與難加工材料磨削1.2工程陶瓷磨削機(jī)第12章硬脆材料與難加工材料磨削1.2工程陶瓷磨削機(jī)理b.移動壓頭作用下的中央/徑向裂紋在磨削過程中一個有效磨粒不僅承受定點(diǎn)壓痕那樣的法向載荷，還要承受運(yùn)動方向上的切向載荷。由法向力Fn及切向力Ft共同作用于材料表面某點(diǎn)所產(chǎn)生的彈性應(yīng)力場，可用米切爾（Njdifmm）方法建立模型如下：λ和μ為勒穆彈性常數(shù)；γθΨ極坐標(biāo)。第12章硬脆材料與難加工材料磨削1.2工程陶瓷磨削機(jī)第12章硬脆材料與難加工材料磨削1.2工程陶瓷磨削機(jī)理c.橫向斷裂和破碎橫向裂紋在卸載時產(chǎn)生于靠近塑性區(qū)底部，并在與工件表面幾乎平行的面上擴(kuò)展，裂紋向自由表面的偏移導(dǎo)致材料的斷裂去除，即形成切屑。橫向裂紋長度Cc可用簡單的樣板原理建立模型。用h表示工件表面到裂紋的距離，且CC》h時，則裂紋大小CL為式中，ζ2、ζL、A均為常數(shù)。對于大接觸載荷（P>>P0）時，這與中央/徑向裂紋很相似。第12章硬脆材料與難加工材料磨削1.2工程陶瓷磨削機(jī)第12章硬脆材料與難加工材料磨削1.2工程陶瓷磨削機(jī)理c.橫向斷裂和破碎產(chǎn)生橫向裂紋的最小臨界載荷PL*為將PL*值與單磨粒平均載荷相比較，可用來預(yù)測磨削過程是橫向斷裂過程還是塑性切除過程。如磨削氧化硅過程中，單粒法向載荷力要小于估算的臨界載荷（約30N），這說明主要是塑性切除，而不是橫向斷裂。而預(yù)算的中央裂紋臨界載荷（Si3N4是3N）要比橫向裂紋小得多，這說明塑性磨削可以產(chǎn)生中央裂紋和材料強(qiáng)度降低。第12章硬脆材料與難加工材料磨削1.2工程陶瓷磨削機(jī)第12章硬脆材料與難加工材料磨削1.2工程陶瓷磨削機(jī)理c.橫向斷裂和破碎由于橫向裂紋引起材料去除，常用它的大小來估算磨耗比。假設(shè)在圖12-2中法向載荷P作用下單顆磨粒的去除體積與橫向裂紋大小及接觸長度L成比例，則總的體積去除量VL為除橫向裂紋外，材料去除還與破碎有關(guān)。磨粒前端和其下面的材料破碎是表面圓周應(yīng)力和剪切應(yīng)力分布引起的各種形式破壞的結(jié)果。關(guān)于陶瓷材料破碎的產(chǎn)生原因，有的研究解釋為破碎是由彈性張力超過臨界值以前存在著分散的裂紋引起的。還有的認(rèn)為破碎是由運(yùn)動壓頭下連續(xù)的裂紋分支引起的。這種模型成功地預(yù)測了玻璃的單刃磨削的破碎深度，但對Si3N4陶瓷磨削的破碎深度的預(yù)測值卻偏大。這與純彈性應(yīng)力場的假設(shè)有關(guān)。而實(shí)際上材料局部塑性變形對Si3N4的影響很大，則導(dǎo)致應(yīng)力強(qiáng)度和破碎深度的降低。第12章硬脆材料與難加工材料磨削1.2工程陶瓷磨削機(jī)第12章硬脆材料與難加工材料磨削1.2工程陶瓷磨削機(jī)理2.切削模型近似切削模型近似是包括切削力測量、磨屑形貌及加工表面形貌研究在內(nèi)的普通磨削機(jī)理研究方法。磨削力測量所獲得基本參數(shù)是單位磨削能，即去除單位體積材料的磨削能。任何磨粒與工件相互作用的關(guān)系機(jī)理都和單位磨削能數(shù)值一致，它取決于切削工藝參數(shù)。第12章硬脆材料與難加工材料磨削1.2工程陶瓷磨削機(jī)第12章硬脆材料與難加工材料磨削a.磨削——對各種脆性材料磨屑的觀察都說明陶瓷材料的去除主要是脆性斷裂的結(jié)果b.劃痕與磨削表面的顯微觀察——Si3N4、Al2O3陶瓷的刻劃實(shí)驗(yàn)顯示了沿溝痕的塑性變形、橫向斷裂和破裂鏟除現(xiàn)象、刀頭下前方的破碎現(xiàn)象。當(dāng)在磨削表面上觀察到單個劃痕形成主要與塑性變形有關(guān)時，這可能與前面描述的斷裂引起材料去除的結(jié)果相矛盾。然而需要注意的是，磨削后遺留在表面的溝痕只相當(dāng)于單一切削中最淺的部分。而且在100。C、49%濃度的氟化氫溶液中浸蝕‘i后，絕大多數(shù)的變形條痕被去掉，這說明多數(shù)的變形表面層由玻璃（非晶體）材料組成。c.塑性流動引起的材料去除——壓痕斷裂力學(xué)指出了在其之下不會出現(xiàn)橫向斷裂的臨界載荷力的存在。因此在臨界載荷以下，塑性磨削方式是普遍存在的。塑性狀態(tài)下的磨削樣件在強(qiáng)度上都有所提高，表面粗糙度值有所降低。使用裝有超精密進(jìn)給控制的特殊平面磨床來系統(tǒng)地研究塑性狀態(tài)下的磨削，得到與單顆磨粒上臨界斷裂載荷

相對應(yīng)的臨界切深bd可表示為：第12章硬脆材料與難加工材料磨削a.磨削——對各種脆性第12章硬脆材料與難加工材料磨削塑性磨削可以提高表面質(zhì)量，但效率低，經(jīng)濟(jì)性差。一種提高塑性變形以獲得較高去除比的可能方法是提高砂輪速度。提高砂輪速度能降低切屑厚度，從而降低每磨粒磨削力，增加塑性變形，減少強(qiáng)度損失。砂輪速度越高，每粒法向磨削力，越降低。當(dāng)然塑性變形的比例還與磨削溫度有關(guān)。普遍認(rèn)為溫度的增高會降低工件質(zhì)量，然而當(dāng)磨削熱壓氮化硅陶瓷的溫度達(dá)到800。C時，工件強(qiáng)度卻有所提高。這是由于玻璃質(zhì)狀態(tài)使裂紋鈍化的緣故。因此，表面破裂比的降低和塑性的明顯增加與磨削溫度升高時產(chǎn)生的玻璃質(zhì)狀態(tài)有關(guān)。使用移動熱源理論，最大的磨削區(qū)溫度增加值可計(jì)算如下：

式中，

F’m是單位寬度磨削力，ε是磨削力對工件的分配系數(shù)，K是導(dǎo)熱系數(shù),ρ是密度，c是工件的比熱容，a是切深，ds是當(dāng)量直徑。因此在更高的磨削溫度時，破裂百分比的降低也可以減小強(qiáng)度損失。第12章硬脆材料與難加工材料磨削塑性磨削可以提高表面質(zhì)第12章硬脆材料與難加工材料磨削(d).磨削能由磨削力和切削環(huán)境所獲得的一個基本參數(shù)是單位磨削能，即每去除單位體積材料消耗的磨削能。對金屬工件材料，總的單位磨削能被看作是切屑形成能，耕犁能和滑移能部分的總和。而對陶瓷及其他脆性材料，磨削機(jī)理與單位磨削能之間的關(guān)系需要進(jìn)一

步研究。切削模型近似證實(shí)了陶瓷材料的去除通常由脆性斷裂形成，但大部分能量消耗卻與塑性變形密切相關(guān)。第12章硬脆材料與難加工材料磨削(d).磨削能第12章硬脆材料與難加工材料磨削1.3工程陶瓷定壓力磨削及定切深磨削特性在定壓力磨削條件下，考察工程陶瓷的可磨削性，即磨削壓力（P）與磨削力（F）、磨削能（E）、磨削比（G）及磨削切除率ZW之間的關(guān)系。圖12-6是在恒壓磨削下，各種陶瓷的磨削加工壓力P與單位時間內(nèi)單位寬度上的磨削切除率Z’W的關(guān)系。Al2O3的切除率最高，SiC、ZrO2與Si3N4的切除率均較低。由于Al2O3和SiC的破壞韌性值小，磨削時容易生成龜裂破碎型切屑，形成晶界破壞，所以磨削切除率較高。而ZrO2、Si3N4的破壞韌性值大，抵抗龜裂進(jìn)展的能力大，產(chǎn)生塑性流動與龜裂破碎型混合形的破損，所以切除率低。經(jīng)電子顯微鏡觀察磨削加工表面形貌，在及的磨削加工表面上明顯地呈現(xiàn)條狀磨痕，而SiC及Al2O3的磨削加工表面上沒有條狀磨痕，而呈現(xiàn)沿晶界破碎型破損。磨削切除率依賴于晶粒直徑的大小，Al2O3的晶粒大，其磨削切除率高。工程陶瓷的種類、結(jié)晶晶粒大小及破壞韌性值的大小對磨削切除率、切屑生成有重要影響。第12章硬脆材料與難加工材料磨削1.3工程陶瓷定壓力第12章硬脆材料與難加工材料磨削1.3工程陶瓷定壓力磨削及定切深磨削特性在恒壓磨削時，磨削時間一長，砂輪工作表面磨粒微刃產(chǎn)生摩擦磨損、磨粒微刃鈍化、砂輪鈍化、磨粒脫落和堵塞。隨著磨削時間增加（即磨削切除量增加）各種陶瓷的切除率不同。在磨削初期，由于砂輪微刃鋒利，氧化鋁的切除率最高，氧化鋅最低，其切除率的高低順序?yàn)锳l2O3→SiC→Si3N4→ZrO2。磨削繼續(xù)進(jìn)行，Si3N4的切除率下降最快，其次是SiC。ZrO2的切除率下降最小，幾乎不發(fā)生變化。用磨削切除率的變化比例可以判斷工程陶瓷的可磨削性。Si3N4最難磨削，砂輪鈍化嚴(yán)重。第12章硬脆材料與難加工材料磨削1.3工程陶瓷定壓力第12章硬脆材料與難加工材料磨削1.3工程陶瓷定壓力磨削及定切深磨削特性工程陶瓷在定切深磨削時，各種陶瓷當(dāng)量磨削厚度acq與磨削力的關(guān)系如圖12-7所示。式中vw為工件速度，ap為磨削深度，vs為砂輪速度。acq增大，各種陶瓷的磨削力均增加，Si3N4的磨削力最大，Al2O3的最小。第12章硬脆材料與難加工材料磨削1.3工程陶瓷定壓力第12章硬脆材料與難加工材料磨削1.4加工條件對磨削特性的影響1.工件速度vw的影響工件速度的大小對磨削力Fn、Ft、砂輪半徑、磨損量ΔR、表面粗糙度Ry、累積切削殘留量ε及磨削比G影響的關(guān)系示于圖12-8。磨削比G在vw=0.4m/min時達(dá)最大值，然后隨vw增加而急劇下降。vw增加對Ft影響不大，對Fn、Ry、ε均增加。2.砂輪速度vs的影響第12章硬脆材料與難加工材料磨削1.4加工條件對磨削第12章硬脆材料與難加工材料磨削1.4加工條件對磨削特性的影響3.磨削深度ap的影響4.磨削比和最優(yōu)磨削加工條件磨削比G是評價磨削效果的重要參數(shù)。砂輪磨削受許多因素影響，但主要因素是磨削最大切削深度apmax，磨粒切削深度αpmax是從幾何學(xué)的因素上考察對磨削比G的影響。第12章硬脆材料與難加工材料磨削1.4加工條件對磨削第12章硬脆材料與難加工材料磨削1.4加工條件對磨削特性的影響5.砂輪磨損與磨削比6.金剛石磨料粒度與最優(yōu)磨削條件第12章硬脆材料與難加工材料磨削1.4加工條件對磨削第12章硬脆材料與難加工材料磨削1.5工程陶瓷的鏡面磨削工程陶瓷的鏡面磨削工藝方案有三種：1.粗磨→粗研→精研→拋光，使用游離磨粒進(jìn)行加工。2.使用金剛石砂輪進(jìn)行粗磨→精磨→精細(xì)磨→鏡面磨削，選用金剛石磨具的磨粒粒徑依次減小，創(chuàng)成周期長、成本高。3.日本市田良夫等提出的“一次走刀”鏡面磨削法”，這是一種使用金剛石砂輪的高效率、高品位質(zhì)量鏡面磨削方法。1.金剛石砂輪磨削鏡面用6000#、3000#、1500#、800#四種粒度的金剛石砂輪，砂輪速vs=1800m/min、工件速度vw=0.1~0.5m/min、磨削深度ap=2.5~100um，磨削寬度b=5mm，對SiC、Si3N4進(jìn)行平面磨削試驗(yàn)。研究磨削加工表面的形狀及切屑形態(tài)、加工表面生成過程中從脆性向塑性遷移的機(jī)理。工程陶瓷磨削加工表面生成過程中發(fā)生脆性破碎及塑性變形，磨削加工表面呈現(xiàn)條狀磨痕，生成凹凸不平的表面。2.工程陶瓷的onepass鏡面磨削工程陶瓷、玻璃等脆性材料的鏡面磨削，使用數(shù)um或更細(xì)粒度的金剛石砂輪進(jìn)行加工一般經(jīng)過粗磨→半精磨→精磨→鏡面磨削的多工序過程，實(shí)現(xiàn)鏡面加工。OnePass鏡面磨削法是從粗磨到鏡面的鏡面加工方法。第12章硬脆材料與難加工材料磨削1.5工程陶瓷的鏡面第12章硬脆材料與難加工材料磨削1.5工程陶瓷的鏡面磨削2.工程陶瓷的onepass鏡面磨削OnePass鏡面磨削法鏡面生成原理如圖12-12所示。OnePass鏡面磨削法是在一次磨削行程切除材料層厚度ap，切除粗磨工序引起的加工變質(zhì)層δ，同時一舉創(chuàng)成鏡面的工藝方法。實(shí)現(xiàn)高效率的鏡面加工。一般前工序粗磨或半精磨后表面加工變質(zhì)層深度為20～40um。第12章硬脆材料與難加工材料磨削1.5工程陶瓷的鏡面第12章硬脆材料與難加工材料磨削1.6加工表面變質(zhì)層的評價工程陶瓷磨削后，表面粗糙度、微裂紋、磨痕、殘余應(yīng)力等構(gòu)成加工表面變質(zhì)層。對陶瓷結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度、使用功能有著重要影響。1.表面粗糙度評價一般可以用觸針式粗糙度儀進(jìn)行常規(guī)的檢測和評價。對于脆性破碎型切屑產(chǎn)生的表面主要是脆性破碎，磨痕呈龜裂型貝殼狀凹坑，微觀表面粗糙度沒有金屬表面那樣的尖銳的波峰波谷。微觀表面粗糙度輪廓曲線有時亦出現(xiàn)波谷的峰值，主要是觸針陷入微裂紋及結(jié)晶孔洞一定深度。對于表面破碎面積率St小于2.5%的塑性帶狀切屑生成的表面，一般達(dá)到準(zhǔn)鏡面和鏡面，用觸針式粗糙度儀進(jìn)行檢測，存在觸針劃痕問題，影響鏡面質(zhì)量?，F(xiàn)在多用電子顯微鏡和掃描電鏡進(jìn)行檢測。2.微裂紋工程陶瓷磨削加工表面損傷主要是微裂紋。工程陶瓷的晶體缺陷造成裂紋成核及殘余應(yīng)力得以激活。由于磨削力及磨削熱影響，使裂紋成核得以發(fā)展。微裂紋的存在影響工程陶瓷結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度下降。微裂紋對工程陶瓷強(qiáng)度的影響，可以用雙向彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)（DT——DoubleTorsion）進(jìn)行驗(yàn)證。第12章硬脆材料與難加工材料磨削1.6加工表面變質(zhì)層第12章硬脆材料與難加工材料磨削1.7工程陶瓷的復(fù)合加工

工程陶瓷的復(fù)合加工方法，常用超聲波振動磨削法與電解磨削法。超聲波振動磨削工藝前已述及。電解磨削工藝是利用電解作用及砂輪機(jī)械磨削作用復(fù)合工藝方法。電解磨削機(jī)床由機(jī)床本體、電源、電解液供給裝置等構(gòu)成。工件接陽極，砂輪接陰極。常用電解液為NaNO3與NaNO3水溶液。 砂輪轉(zhuǎn)速為1000~3500r/min，工作臺進(jìn)給速度為0.5~20m/min。砂輪尺寸為Ф200mm×10mm，粒度為150#。電解磨削復(fù)合加工的磨削比G與電解直流附加電壓關(guān)系如圖12-15所示。在直流附加電壓為30V時，具有最大的磨削比G。電解磨削復(fù)合工較機(jī)械磨削的磨削比高2～3倍。第12章硬脆材料與難加工材料磨削1.7工程陶第12章硬脆材料與難加工材料磨削1.8超聲波振動磨削工程陶瓷超聲波振動磨削是利用超聲波振動和砂輪磨削的復(fù)合作用形成加工表面。超聲波振動磨削系統(tǒng)示意圖見圖12-16。超聲波振動磨削系統(tǒng)振動頻率f為20~40kHz，振幅A為數(shù)微米~數(shù)十微米（um）。超聲波振動磨削工程陶瓷磨削力比普通磨削力降低1／3；磨削比提高10倍。由于施加了高頻振動、金剛石砂輪表面不易被磨屑堵塞，保持了磨料的鋒刃性，提高了磨削效率，累積磨削距離增大。金剛石砂輪在超聲波縱向振動作用下，對表面粗糙度的尖峰多次滑擦、使表面粗糙度峰值降低。用超聲波振動磨削除加工平面、內(nèi)孔、外圓外，還能加工陶瓷結(jié)構(gòu)件上的異形孔、方孔和多角形（四角形、三角形）孔。第12章硬脆材料與難加工材料磨削1.8超聲33第12章硬脆材料與難加工材料磨削12.2玻璃的磨削

12.2.1熔融石英玻璃的磨削熔融石英是由純凈的天然石英原料或用化學(xué)方法制得純二氧化硅熔煉而成。具有硬度高、耐熱性好、抗熱振阻力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但又有彈性模量較低、脆性大、抗壓強(qiáng)度高，而抗拉強(qiáng)度低，磨削液的浸漬可改變性能，是制造天線罩的材料。天線罩系大型薄壁、三維復(fù)雜形面的零件，又有小直徑深孔需要磨削。1.磨料與磨具的選擇

對熔融石英天線罩采用干式磨削，選用電鍍金剛石磨輪。用鎳、鈷作為粘結(jié)金屬、將金剛石磨料鍍在金屬基體上，磨料固結(jié)在金屬基體上，形成金剛石磨輪。

金剛石磨料選用人造金剛石磨料。這種金剛石磨料的顯微組織為粗短塊狀結(jié)構(gòu)，性質(zhì)強(qiáng)韌、破碎性小、質(zhì)量穩(wěn)定。人造金剛石磨料濃度為0$$%，其粒度為120#。2.磨削工藝參數(shù)

試驗(yàn)表明，粒度120#

的金剛石磨粒電鍍成磨輪在進(jìn)行磨削時，磨削比G最大達(dá)5000~6000。

在vs=104.6m/s，vw=0.3m/min，磨料為120#，在磨削深度ap為0.02mm進(jìn)行磨削時，有最高的磨削比。砂輪轉(zhuǎn)速為2500r/min時，vw=0.3m/min，ap為0.01mm／行程，磨削比達(dá)最大值，磨粒的切除量達(dá)最大。 實(shí)驗(yàn)表明，采用電鍍金剛石磨輪對熔融石英天線罩進(jìn)行干式磨削時，選用120#、濃度200%的MSD人造金剛石磨粒、ap／行程，vw=0.6m／min，ns=25000r/min的工藝參數(shù)，能夠高效、高質(zhì)量的加工石英天線罩。33第12章硬脆材料與難加工材料磨削12.2玻璃的磨第12章硬脆材料與難加工材料磨削12.2.2光學(xué)玻璃的磨削1.光學(xué)玻璃透鏡球面的銑磨

工件材料為光學(xué)玻璃、使用機(jī)床QM08-銑磨機(jī)、磨削用量ns為1000r／min，工件轉(zhuǎn)速nw為4.26m/min，進(jìn)給速度為9mm／min，磨削液為煤油+全損耗系統(tǒng)用油（1:1），使用磨具為MBD120#1002F2/3。第12章硬脆材料與難加工材料磨削12.2.2光學(xué)玻璃35第12章硬脆材料與難加工材料磨削12.3石材的磨削加工

大理石、花崗巖石、蛇紋石是建筑行業(yè)優(yōu)良的裝飾材料，具有美觀、清潔、豪華、舒適、防污染、耐腐蝕、保持性好的特點(diǎn)。目前，大理石等石材的飾面加工一般經(jīng)過粗磨、半精磨、精磨和拋光等加工工序。拋光表面狀態(tài)是決定大理石作飾面材料質(zhì)量的最關(guān)鍵因素。現(xiàn)對大理石等石材加工中幾個重要問題予以論述。

3.1大理石磨削表面形成機(jī)理

大理石磨削過程是材料發(fā)生遷移和斷裂遷移。磨削壓力和切深越大、磨粒越鋒利，則越易去除材料。在大理石磨削過程中，銳利的磨粒相當(dāng)于錐壓頭加載于巖石上，分析巖石變形特征。采用點(diǎn)載荷應(yīng)力場（Cpvttjoftr應(yīng)力場）來分析錐壓頭加載時，大理石材料內(nèi)部的裂紋形成。在實(shí)際磨削加工中，應(yīng)力場的力不是作用在試件邊緣的對稱半平面空間上，力也不是均勻分布的。這與點(diǎn)載荷應(yīng)力場的假設(shè)條件不符，但認(rèn)為這對定性預(yù)測應(yīng)力場引起的裂紋形式影響不大。

在泊松比為v的彈性半無限巖石表面施加一集中載荷后，以施力點(diǎn)為原點(diǎn)，以至原點(diǎn)的距離R以及與某參考線的夾角θ為極坐標(biāo)，則在該極坐標(biāo)系統(tǒng)內(nèi)，距離原點(diǎn)為R及與通過載荷對稱軸的另一參考線的夾角為φ的任意空間點(diǎn)上，將有法向主應(yīng)力σ11、σ22、σ33，主切應(yīng)力為г11，г13和靜水壓力ρ，則對Boussinesq應(yīng)力場有

35第12章硬脆材料與難加工材料磨削12.3石材的磨第12章硬脆材料與難加工材料磨削

3.1大理石磨削表面形成機(jī)理

巖石的抗粒強(qiáng)度一般只有抗壓強(qiáng)度的1／20～1／40，通常認(rèn)為拉應(yīng)力是產(chǎn)生巖石斷裂裂紋的原因。

按照Griffith理論和Lrwin的理論，認(rèn)為巖石的斷裂過程如圖所示，圖中為1／2初始裂紋長，σ為某點(diǎn)應(yīng)力，Gc為單位面積釋放能，γ為材料表面能，E為材料彈性模量。大理石斷裂破壞過程是拉應(yīng)力產(chǎn)生斷裂裂紋，裂紋擴(kuò)展引起材料斷裂破壞。用壓頭靜壓入大理石的實(shí)驗(yàn)研究表明，大理石受一定力作用后，材料呈現(xiàn)塑性變形，是由于壓應(yīng)力場產(chǎn)生的。巖石塑性變形是由材料晶體晶格因超過顆粒間強(qiáng)度的破裂和分離，顆粒的線和面彎曲的角度變形及晶格一部分平移滑動引起的。

磨削加工條件不同，會改變磨削應(yīng)力場的狀態(tài)及磨削表面形貌。磨削速度越高，磨削表面越平整；磨削速度的提高，使相鄰溝槽間距減小，斷裂凹坑變小，材料易呈現(xiàn)斷裂破壞。磨粒粒度越細(xì)，則材料越易呈塑性變形，磨削表面平整。 大理石在拋光過程中，被拋表面亦發(fā)生表面變質(zhì)層。該變質(zhì)