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1、超声研磨 Al2O3工程陶瓷的材料去除特性研究李章东?刘传绍?赵?波(焦作工学院,河南焦作 454000)?摘要:通过对Al2O3陶瓷圆柱零件的超声研磨试验,探讨了超声研磨时材料的去除特性。分析了研磨参数、油石粒度对材料去除率的影响,给出了超声研磨加工比普通研磨加工效率高的主要原因。通过对同样条件下研磨压力的测定,得出超声研磨与普通研磨的磨削力特征不同:超声研磨压力呈周期性分布,波形如锯齿,平均压力几乎为一恒定值,变化非常均匀;普通研磨压力随机波动,变化无规律性。同时,在相同的径向进给条件下,超声研磨压力比普通研磨压力均小一定量值。关键词:超声研磨;研磨参数;去除率;磨削力特征?材料科学的飞速
2、发展导致了大量新材料的涌现,新型工程陶瓷、改性陶瓷、增韧陶瓷、梯度陶瓷、纳米粉体陶瓷等正以新的面貌和特殊性能走进工业领域,其大量应用与推广的基础仍是降低材料的制造成本和材料的有效去除1,2。普通磨削对塑性材料而言,主要经历以下 3 个过程 2:摩擦,磨粒在工件上摩擦使材料产生弹性和塑性变形,并不切除材料;耕犁,磨粒使材料向磨粒滑动方向做塑性流动,沿沟槽向两边隆起;切削,在磨粒的前方塑性应力区发生破坏而形成切屑,造成快速的余量切削。脆性材料的加工机理与塑性材料类似,只是没有塑性变形和弹性变形。但是,在磨粒经过切削的地方即沟槽处裂纹较深、较大,而两边的隆起处裂纹较浅、较密,这一点为超声波加工创造了
3、条件3。超声振动研磨加工是将超声振动与普通研磨工艺相复合,超声波经声学系统的传递使研磨油石做径向振动的一种加工方法4。本文以 Al2O3陶瓷圆柱件的超声研磨试验来研究材料的超声研磨去除特性。1?试验条件、试验材料与试验方法?试验条件见表 1 所示,试验材料性能见表 2。?试验方法:为了方便对比,其他切削条件不变,打开超声发生器(系统振动开始)为超声研磨,关闭超声发生器(系统振动停止)为普通研磨。收稿日期:2003-12-20第一作者简介:李章东,男,1970 年生,讲师。表 1?试验条件项目试 验 条 件修整砂轮碳化硅砂轮,80 粒度,树脂结合剂;D0?B?Di:?203 mm?40 mm?1
4、20 mm修整条件修整砂轮速度 vs=28 m/s;工件转速 nw=37 r/min工?件Al2O3(热压);外径?内径?长度:?107.5 mm?80mm?20 mm金刚石研磨油石粒度:W20、W5;树脂结合剂:浓度 100%;规格(L?B?H):40 mm?6 mm?6 mm研磨参数工件转速 n=90 355 r/min;研磨轴研具往复进给f=0.12 mm/min;研磨压力 F=350 N,400 N,450 N,530 N;分恒压力和不进给压力两种磨削方法。冷却方式乳化液超声发生器频率 20 kHz;功率 60 W表 2?Al2O3材料特性材料性能指标数值材料性能指标数值维氏硬度/GP
5、a24泊松比/?0.27弹性模量/GPa380热膨胀系数/(10-6/?)-8抗弯强度/MPa500 700热冲击温度?T/?200 300断裂韧性/(MPa.m1/2)3 3.2热导率/?W/(m?K)?-25抗压强度/MPa?材料粒度/?m5 10密度/(g/cm3)3.96 3.992?研磨参数与材料去除率的关系研究影响研磨效率的主要因素有:工件转速、进给速度、研磨压力、油石粒度及研磨液。本文主要研究工件转速、研磨压力和油石粒度对材料去除率的影响。2.1?工件转速与材料去除率的关系图 1 为普通研磨时工件转速与材料去除率的关系曲线(研磨压力保持在 340 360 N 范围内,以 20?4
6、1?设计?研究?电加工与模具?2004 年第 3期min 为单位)。图 1?普通研磨时工件转速与材料去除率的关系由图 1 可看出:在普通研磨加工中,材料的去除率随工件的转速增大而增大,但并不呈线性增大。工件转速越快,线速度越大,单位时间内工件与研具的摩擦加剧、有效磨粒数增加、材料切削量增大。但随着转速的增加,油石每转磨削工件的时间缩短,每转切削量减小,且切削液的作用不显著,使得去除率与工件转速并不能成正比增加。?图2 为超声研磨在振动频率 20 kHz,功率 60 W时工件转速与材料去除率的关系曲线。图 2?超声振动研磨工件转速与材料去除率的关系由图 2 可看出:超声研磨时,材料去除率随工件转
7、速的增大而增大,但并不严格呈线性关系,在转速超过一定数值时,材料去除率的增加幅度明显减小。分析其原因,主要是当转速超过一定数值时,工件与磨粒的分离时间减少,甚至两者在振动过程中始终没产生分离,即当工件转速过高时,加工状态由超声研磨(磨粒高频间歇切入、切出工件表面的有效材料去除过程)变成了普通研磨(磨粒始终与工件相接触),同时磨粒和切削液的空化、锤击作用变的不显著,磨削点温度升高,磨粒的锋锐性和硬度下降,导致了材料去除率的下降。对比图 1、图 2 可看出,超声研磨加工的材料去除率较之普通研磨几乎高 2 倍左右。主要原因是:磨粒在一定的振幅下高频振动,使磨粒与工件的接触在绝大部分时间内,只是磨粒的
8、一个侧面断续接触(仅在磨粒的前刀面连续接触),此时摩擦力大大减小,不仅造成磨削力降低,且使磨削区和磨粒的散热条件达到充分改善,加之切削液的空化作用和磨粒锤击作用,使其加工效率优于普通加工。2.2?研磨压力与材料去除率的关系图 3 给出了在保持工件恒定转速为 250 r/min,超声波发生器功率恒定 60 W,用乳化液润滑、冷却时,分普通与超声两组,各取研磨压力 350 N、450 N和 530 N,保持各个压力参数恒定不变,研磨时间为20 min 的条件下,研磨压力与材料去除率的关系。图 3?超声与普通研磨加工压力与材料去除率的关系由图 3 可见,径向超声研磨加工的材料去除效率高。径向施振磨削
9、可以显著提高加工效率的原因之一就是在普通研磨的基础上,在切深方向上叠加了一个附加的切深(数值为振幅)。普通研磨加工时材料去除率随研磨压力的增大而增大。而对于超声研磨加工来说,材料去除率随研磨压力增大到一定值之后,再增大研磨压力(本试验为 450 N),材料去除率开始有所下降。这主要是因为过大的研磨压力导致工具振动振幅变小;另一方面,研磨压力过大,导致工具和工件之间空间减小,磨料不能进入或很少进入,空化作用不显著,从而造成材料去除率下降。研磨进给压力要适当,其大小与加工面积、振幅、频率、工件材料等因素有关。压力太大,工具与工件间的磨料空间狭小,难以形成空化锤击作用,严重时可能无空隙而难以实现振动
10、加工;压力太小,工具与工件的间隙过大,冲击路程上损耗的能量过多,以致冲击力微小甚至冲击不起作用,无法形成加工压力。因此,当加工面积在一定范围内时应确定一个最佳正压力。2.3?金刚石油石粒度与材料去除率的关系图 4 给出了在研磨速度、时间等参数不变的条?42?电加工与模具?2004 年第 3 期?设计?研究件下,金刚石油石粒度与材料去除率的关系。图 4?油石粒度与材料去除率的关系由图 4 可看出,粗粒度油石的研磨加工去除效率较高,细粒度的则较低,两者随工件转速的变化趋势基本相同。细磨粒等高性好,振动过程在工件表面的划痕浅,相互切断贯穿的少,材料去除率小,但较之粗磨粒油石加工出的材料的表面质量优。
11、3?超声研磨与普通研磨的研磨压力特征为了比较超声研磨与普通研磨两者研磨压力的特征,试验采用相同工件转速 250 r/min、相同研具纵向进给速度 0.12 mm/min 和相同径向进给?每一往复径向进给 2 mm,由应变片测力装置测量瞬时研磨压力,如图 5、图 6 所示。图 5?超声研磨压力?由图 5 和图 6 可见:当超声研磨加工达到稳定时,超声研磨压力呈周期性分布,波形呈锯齿形,平均压力几乎为一恒定值,变化非常均匀;普通研磨压力随时间随机波动,变化没有一定的规律性。同时,在相同的径向进给条件下,超声研磨压力平均为355 N,普通研磨压力平均为 450 N,超声研磨压力比普通研磨压力小 10
12、0 N 左右,由于磨粒在一定的振幅下高频振动,使研具与工件的接触,在绝大部分时间内只是磨粒的一个侧面断续接触(仅在磨粒的前刀面连续接触),此时摩擦力大大减小,不仅造成磨削力降低,且使磨削区和磨粒的散热条件达到充分改善。图 6?普通研磨压力4?结束语(1)通过 Al2O3陶瓷圆柱工件材料的研磨试验,得出了普通和超声研磨加工过程中,材料的去除率都是随工件的转速增大而增大,但并不呈严格的线性关系。(2)普通研磨加工材料去除率随研磨压力的增大而增大;而超声研磨加工中,材料去除率随研磨压力的增大而增大,但当研磨压力增大到一定值时,如果再增大研磨压力,材料去除率反而会下降,当加工面积在一定范围内时,存在一
13、个最佳正压力。(3)使用粗粒度油石研磨,加工去除效率较高,反之则较低,两者随工件转速的不同,引起的变化趋势基本相同。(4)超声研磨压力呈周期性分布,波形如锯齿,平均压力几乎为一恒定值,变化非常均匀;普通研磨压力随时间随机波动,变化无规律性。同时,在相同的径向进给条件下,超声研磨压力比普通研磨压力小一定量值。参考文献:1?陈日曜.金属切削原理.北京:机械工业出版社,1986 2?畏部淳一郎.精密加工-振动切削(基础与应用).北京:机械工业出版社,1985 3?U himann E.Surface formation in feed grinding of advanced ce-ramics w
14、ith and without ultrasonic assistance.Annals of theCIRP,1998,47(1):249 252 4?Zhao B,Liu Chuanshao.Surface characteristics in the ultrasonicductile honing of ZrO2ceramics using coarse grits.J of MaterialsProcessing Technology,2002,123:54 60?43?设计?研究?电加工与模具?2004 年第 3期Abstract:ToapplyPulseElectrochemic
15、alFinishing(PECF)technology to the machining of bearing race,this pa-per studies the Pulse ElectrochemicalFinishing process of GCr15steel(a kind of materialoften chosen for bearing ring),and es-pecially discusses the influences on surface quality of inter-elec-trode gap size,current density,pulse pa
16、rameter,electrolyteconcentration and temperature detailedly.The results show thata high quality surface could be gotten when the GCr15 work-piece is machined by PECF.The conditions to get high qualitysurface include current density over a critical value,suitablepulse parameter,suitable electrolyte c
17、oncentration and low elec-trolyte temperature.Key words:pulse electrochemical;finishing;GCr15 steelResearch on material removal characteristics of Al2O3ceramicby ultrasonic grittingLi Zhangdong,et al(41)Abstract:Material removal characteristics of ultrasonicgritting are discussed in this paper by ul
18、trasonic gritting Al2O3ceramic cylindrical workpieces.The relationship of gritting pa-rameters and particle size of whetstone and material removalrateis analyzed,at the same time,the reason for machining eff-iciency of ultrasonic gritting is higher than that of common grit-ting is discussed.The char
19、acters of ultrasonic gritting and com-mon gritting are put forward through testing stress of gritting inequal conditions,such as the distribution of the pressure of u-ltrasonic gritting is cyclical and the wave form is saw-toothed,and the average pressure is almost constant.The pressure ofcommon gri
20、tting waves randomly.At the same time,The pres-sure of ultrasonic gritting is always lower than that of commongritting in equal conditions.Key words:ultrasonic gritting;gritting parameters;re-moval rate;character of gritting pressureStudy on laser sintering of nano-Al2O3ceramicLi Jingxin(44)Abstract
21、:Nano-phase materials have many unique charac-ters from ultra-fine grains.However,nano-grains grows largerin sintering in order that nano-characters will be lost.In thispaper,Laser Sintering of nano-Al2O3has been studied by theo-retic analysis and experimental investigation.The conclusion isthat nan
22、o-grain can be well kept by laser sintering and it pro-vides applied basis of nano-phase ceramics in functional andstructural parts.Key words:laser sintering;nano-phase Al2O3;graingrowthCNCsystem of laser cuttingmachine based on PMACWang Wenping(48)Abstract:In this article,a CNC system using persona
23、lcomputer and programmable mult-i axis controller is introduced,and the makeup of control system as well as hardware and soft-ware structure are presented.Key words:PMAC;laser cutting;CNC systemOptimal design with CAE for drawer of the refrigeratoryYe Fuyuan,et al(50)Abstract:A 3D filling simulation
24、 package-HSCAE3D6.0was applied to optimize the mold structure and process of thedrawer of the Refrigeratory.By comparing among several dif-ferent schemes,the optimal design is achieved.Key words:plastic;injection molding;CAE;optimal de-signThe exploration about the precision piercing technologyand d
25、ieof the extra dieZhai Demei(52)Abstract:This paper introduces the new method and themould structure to achieve precision piercing on plain presseswith adding extra die:It analyses the die?s inherent mechanismto realize precision piercing,expatiates definite ways of themain technology parameters suc
26、h as clearance、corrective a-llowance and die thickness and describes the calculation of themain technology force and the main problem of the production.All have a referable effect on the producing stamped and the diedesign of the same type products.Key words:extra die;precision piercing;three-dimens
27、ion-al compressive stress;clearance;section finishingInjected mould design for U shape part in the sealYu Shengli(54)Abstract:Aiming at characteristic of the produce,a kindof injected mould design is introduced in the article.T he mouldis one mold and two cavities structure which get away mold corefrom side.This structure is compact and succinct and practical.Key words:die&mould;design;formation model