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1、?第 34 卷第 1 期硅酸盐学报Vol.34,No.1?2 0 0 6 年 1 月JOURNAL OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETYJanuary,2006综合评述?陶瓷材料延性域磨削机理郑建新,徐家文,吕正兵(南京航空航天大学机电学院,南京?210016)摘?要:从陶瓷磨削加工过程,磨料加工时有效材料去除率,加工的临界磨削深度与材料本身的性质以及材料的破坏形式等角度分析了陶瓷材料延性域磨削加工的可行性。介绍了一些典型的以压痕断裂力学理论为基础建立的陶瓷材料延性域磨削加工的数学模型,从理论上探讨了陶瓷材料延性域超声磨削机理。给出了延性域超声磨削的临界条件,并利用自主
2、研制的五轴联动数控超声磨削机床在 ZrO2陶瓷上加工出叶片型面。对陶瓷材料延性域超声磨削加工技术的发展作了展望。关键词:陶瓷;磨削;延性域加工中图分类号:T H16?文献标识码:A?文章编号:04545648(2006)0110205GRINDING MECHANISM OF CERAMICS IN THE DUCTILE REGIMEZH ENG Jianxin,X U Jiawen,L?Zhengbing(College of Mechanical and Electronic Engineering,Nanjing University of Aeronauticsand Astrona
3、utics,Nanjing?210016,China)Abstract:The feasibility of grinding ceramics in the ductile regime is analyzed from the points of grinding process,achievablematerial removal rates in abrasive machining,the critical grinding depth and properties and the failure form of the material.Some typical mathemati
4、cal models of grinding ceramics in the ductile regime established on the basis of indentation fracture me-chanics are presented.The grinding mechanism of ultrasonic grinding in the ductile regime is discussed in theory.The criticalcondition of ultrasonic grinding in the ductile regime is educed.The
5、blade surface of ZrO2ceramics was ground with a five-axisnumerical control ultrasonic grinding machine developed independently.T he prospect of ultrasonic grinding ceramics in the duc-tile regime is provided.Key words:ceramics;grinding;ductile-regime machining?陶瓷材料具有低密度、耐热、耐磨、耐腐蚀等特性,因而在切削工具、汽车发动机、航天
6、飞行器、光纤、仪器仪表及计算机通讯等领域均有广泛的应用前景。据预测,陶瓷材料年销售额将以 12%以上的速度递增 1。由于陶瓷材料同时具有高硬度、高脆性和低断收稿日期:20050401。修改稿收到日期:20051011。基金项目:江苏省自然科学基金(BK2001048)资助项目。第一作者:郑建新(1979),男,博士研究生。通讯作者:徐家文(1941),男,教授,博士研究生导师。裂韧性等特点,使陶瓷材料在加工过程中很容易产生变形层、表面/亚表面微裂纹、材料粉末化、模糊表面、相变区域、残余应力等缺陷 2,限制了陶瓷材料应用范围的进一步扩展。陶瓷精密元件的加工费用一般 占 总成 本 的 30%60%
7、,有 的 甚 至高 达90%3。因此,探索陶瓷材料的精密、高效、低成本Received date:20050401.Approved date:20051011.First author:ZHENG Jianxin(1979?),male,postgraduate studentfor doctor deg ree.Email:zhengjx ;.Correspondent author:XU Jiawen(1941?),male,professor.加工方法已成为当务之急。尽管陶瓷材料在常温下呈现出明显的脆性特征,但近年来许多实验表明:在一定条件下,陶瓷等脆性材料通过超精密磨削也能产生无裂纹
8、无缺陷的表面,这种加工称为延性域磨削 4。目前,延性域磨削作为陶瓷材料高质量、高精度零件的重要加工方法已引起工业界的特别关注,现介绍其相关的加工机理。1?陶瓷材料延性域磨削的可行性分析?至今,磨削仍然是陶瓷材料最主要的机械加工方法。研究陶瓷磨削过程时,一般都采用?压痕断裂力学?模型来分析 5 15。压痕断裂力学模型是把陶瓷磨削中磨粒与工件的相互作用看作小规模的压痕现象(见图 1)。当压头(磨粒)压入材料表面时,压应力的作用使压头正下方的试件材料发生非弹性流动。如果载荷不大,则卸载后压痕保留,材料无裂纹产生,表明脆性材料也存在一个塑性变形的区域。从陶瓷材料的磨削过程来看,控制材料所受载荷就可以实
9、现材料的延性域去除。图 1?弹/塑性压痕模型Fig.1?Elastic/plastic indentation modelP?Load;Cr?Length of the median/radial crack;Cl?Length of the lateral crack;Ch?Distance between the sur-face and the median/radial crack;v?Feed rate of the work-piece;f?Frequency of vibration;?x?Distance betweenthe two consecutive contactin
10、g points formed by the abrasiveparticle on the workpiece.从加工过程中所需能量角度来看,由于产生塑性变形所需要的能量小于产生脆性断裂的,当磨削深度很小时,加工所需的能量就很小,塑性加工就成为可能 16,因而控制磨削深度可实现延性域加工。从材料的去除率来看,当采用磨削加工时,材料去除率可达到 0.1 mm3/(mm?s)以上,而抛光时该数值低于 10-3mm3/(mm?s),如图 2 所示 12。显然,在磨削和抛光之间的中间区域为陶瓷类脆性材料的塑性加工提供了很大的空间。图 2?磨削所能达到的材料去除率 12Fig.2?Achievable
11、 material removal rate in grinding 12从陶瓷材料本身的性质来看,陶瓷材料在室温下几乎没有塑性,但在高温低速加载的条件下,滑移增多,原子扩散能促进位错及晶界原子的迁移,特别是组织中存在玻璃相时,陶瓷也表现出一定的塑性。虽然陶瓷在拉伸时几乎没有塑性变形,但由于材料的破坏形式不仅与材料的性质有关,而且也与受力情况有关,改变材料加工过程所受应力条件,如变拉应力为压应力,可将脆性材料从脆性破坏转变为塑性去除 16。从以上的理论分析来看,陶瓷材料虽然具有高硬度和高脆性,但创造适当的加工条件,选择适当的加工参数,也能实现延性域磨削。从近几年的实验研究结果来看,实现陶瓷材料
12、延性域磨削是完全可能的,例如:磨削热等静压烧结的 sialon,ZrO2和Si3N4陶瓷时,只要控制磨粒尺寸和磨削深度,就可以进行延性域磨削 4。2?陶瓷材料延性域磨削的数学模型?目前所建立的延性域磨削数学模型大多利用了压痕断裂力学的研究成果。如图 1 所示,磨粒压入陶瓷材料表面时,会使材料正下方产生显微塑性变形。当载荷较大时,就会在塑性变形区域下端产生中央/径向裂纹。在卸载过程中,中央裂纹闭合,横向裂纹产生。横向裂纹向材料表面扩展偏移导致材料的断裂去除。由于弹/塑性变形中的非均匀性所产生的残余应力是裂纹产生和发展的主要影响因素。中央/径向裂纹和残余应力导致材料强度降低。研究 8表明:产生中央
13、/径向裂纹的临界载荷?103?第 34 卷第 1 期?郑建新等:陶瓷材料延性域磨削机理Pc为Pc=?K4c/H3V(1)其中:?为与压头几何尺寸有关的常数;Kc为材料的断裂韧性;HV为材料的硬度。中央/径向裂纹长度 Cr为Cmr=k?P(2)其中:m=1 1?5;k 为系数;P 为载荷。产生横向裂纹的临界载荷 Pl为 15Pl=?(K4c/H3V)f(E/HV)(3)其中:?为常数;E 为材料的弹性模量;f(E/HV)为衰减函数;?f(E/HV)?2?105。横向裂纹长度可用简单的样板原理建立模型。当横向裂纹长度 Cl远大于材料表面到裂纹的距离Ch,即 Cl?Ch时,Cl的大小为Cl=Cj 1
14、-(P0/P)1/41/2(4)其中:P0=?0?(Kc/H3V)(E/HV);Cj=?1K-1/2c?H-1/2VE3/8P5/8;?0和?1均为常数。以上分析表明:产生裂纹的载荷与材料本身的性质(如:硬度、弹性模量和断裂韧性等)有关。当P Pc且 P Pl时,中央/径向裂纹和横向裂纹就不会产生,磨粒与工件界面将产生塑性流动。Bifano等 5认为,只有当切削深度小于其临界切削层深度时,脆性材料才会实现延性域加工。根据他们对延性域磨削方式的定义:脆性材料被磨表面的破碎表面相对面积率少于 10%;压痕的临界深度 ac满足ac=0.15(E/HV)?(Kc/HV)2(5)在一定的磨削工艺条件下,
15、砂轮上单个磨粒在工件上的最大切削厚度 agm是确定的,显然,当 agmac时,磨削过程是以塑性剪切去除为主的过程。应当指出的是,式(1)式(5)是在静态条件下得出的,还不能正确反映材料在冲击载荷作用下的动态断裂特性。脆性材料的动态断裂韧性 Kd大约为静态断裂韧性 Kc的 30%,有的甚至更低 15,因此,应用 Kd和动态冲击载荷 Pcd分别代替 Kc和Pc更加符合实际磨削过程。需注意的是,塑性变形取决于应力状态而不仅仅是取决于应力的大小,减小切削深度仅降低应力大小而没有改变应力状态。如果保持其他参数不变,仅改变切削深度是难以实现延性域磨削的 12。陶瓷材料只有在压应力的作用下才会发生塑性变形。
16、根据 Griffith 能量平衡原理,对于含刃形位错裂纹的陶瓷材料来说,裂纹稳定平衡时的临界应力Tc为 17Tc=-nbG?(1-?)C+8?G?(1-?)C(6)其中:n 为进入裂纹的位错个数;b 为 Burgers 矢量;?为表面能;?为材料的 Poisson 比;C 为裂纹长度;G 为材料的剪切模量。显然,要实现陶瓷材料延性域磨削,应该严格控制磨削压应力?,使得?Tc。3?超声磨削可望成为陶瓷材料延性域加工的重要技术?虽然前面所述可能达到延性域磨削的加工方法,能获得相当好的表面质量,但其加工效率较低,成本较高 18,在实际生产中难以广泛采用。在过去几年里,超声磨削作为磨削陶瓷材料的一种重
17、要加工方法又重新引起研究人员的广泛关注。超声磨削是把超声加工和磨削加工相复合,能够提高加工效率和加工质量,在加工过程中甚至无表面损伤和残余应力,因而非常适合陶瓷类脆性材料的加工。Markov 于 1966 年根据是否适合于超声波加工而把材料分为 3 类,陶瓷属于?实际超声波加工中没有塑性变形?的一类,只是由于微观裂纹的传播使材料脱落而去除的。上述观点已被别的研究人员引用,并在 1995 年被 Pei 等 3首次观察到陶瓷材料在旋转式超声加工中也存在着塑性流动,但至今相关理论分析和实验研究的报道不多。在超声振动磨削时,假设磨粒为严格球形,磨粒在静态载荷和冲击载荷的作用下发生塑性变形而无裂纹产生,
18、那么磨粒在工件表面上产生的压痕深度?可由下式求出 19:P=?yNd?(2r-?)?/2-arcsin(1-?/A)(7)其中:P 为静态载荷;?y为工件材料的抗压强度;Nd为磨削时的动态有效磨粒数;r 为磨粒半径;A 为振幅。显然,陶瓷材料超声磨削要实现延性域加工,同样需要保证压痕深度小于产生裂纹的临界压痕深度,即?ac。由于超声磨削过程是一个时断时续的过程,磨削过程可描述为磨粒与工件?接触 磨削 分离 接触?的动态循环过程。如图 1 所示,超声磨削时,在一个振动周期内(也就是在一个加载 卸载周期内),磨粒与工件相互作用后脱离工件表面。假设在高频冲击载荷的作用下,陶瓷磨削区域产生了中央/径向
19、裂纹,当磨粒脱离工件(即卸载)时,产生横向裂纹。当磨粒与工件分离后再次与工件接触时,设磨粒与?104?硅?酸?盐?学?报?2006 年?工件相邻两次接触点的距离为?x=v/f,其中:v 为工件送进速度;f 为振动频率。研究 11表明:?x 对横向裂纹有屏蔽作用。这一结论也可用来解释延性域超声磨削,即:若能控制工件送进速度 v 和振动频率f,使?x Cl时,当磨粒再次与工件接触、脱离,就会再次产生中央/径向裂纹和横向裂纹。因此,从理论上讲,只要适当控制参数?x 和Cl,便可使陶瓷材料破碎表面的相对面积控制在很小的范围内,实现延性域超声磨削。由式(4)可知:Cl与 HV,E 和 Kc以及 P 等参
20、数有关。P 与 A,r 和 Nd等参数有关。?x 与 v和f 有关,也就是说,陶瓷材料实现延性域超声磨削的临界磨削深度 ac可用下列函数式简单表示:ac=f(A,f;HV,E,Kc;Nd;r;P,v)(8)即:陶瓷材料实现延性域超声磨削取决于振动参数、工件材料的性质、刀具几何性质和加工参数等。以上说明:对于陶瓷材料,控制加工条件并选择合适加工参数能获得延性域超声磨削的最佳效果。图 3 是在厚度为 15 mm 的 ZrO2陶瓷块上超声磨削的整体叶轮叶片型面的外形,其加工运动方式如图 4 所示,全部加工在作者研制的五轴数控超声磨削机床上完成。实验表明:(1)延性域超声磨削的临界磨削深度要远大于普通
21、磨削的;(2)普通磨削加工过程中陶瓷叶片会断裂;只有在超声振动的条件下,才能够实现叶片型面加工。要特别指出的是,图3 所示叶片间型槽是在磨轮自上向下一次磨削送进运动中完成。以上说明:选择合适的工艺参数,超声磨削可以在大切深、缓进给延性磨削条件下进行陶瓷材料的型面数控展成加工,这样不仅降低表面粗糙度,提高加工效率,而且可以减小磨削力,延长磨轮使用寿命。图 3?在 ZrO2陶瓷上超声磨削加工叶片型面Fig.3?Ultrasonic ground the ZrO2blade surface图 4?数控展成超声磨削叶片型面Fig.4?Numerical control contour evolutio
22、n ultrasonic grind-ing the blade surface4?展?望陶瓷材料延性域磨削是一种无损伤的加工方法,该项技术的研究和发展对于推动陶瓷材料的广泛应用有着十分重要的意义。但目前该项技术的理论研究并不完善,与实践应用存在一定 差距。对于生产实践来说,更有实际经济价值的是优化工艺参数和开发新的精密加工技术以提高加工质量和加工效率,降低生产成本。超声磨削作为一种优质、高效、低成本的精密加工方法,可望成为陶瓷材料延性域加工的重要技术。参考文献:1?贾志新,艾冬梅,张勤河,等.工程陶瓷材料加工技术现状 J.机械工程材料,2000,24(1):25.JIA Zhixin,AI
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