（机械制造及其自动化专业论文）花岗石异型面成形加工及材料断裂去除机理研究.pdf

摘要 摘要 用金刚石成型刀具对花岗石异型制品进行成形加工，是一种经济高效的石材 加工方式，被企业广泛采用。然而由于成型刀具曲线复杂，切削过程中各切削点 工艺参数均不一致，金刚石颗粒受力不均匀，无法进行定量的理论研究，导致在 此领域的理论研究相对滞后，生产中许多加工问题得不到及时解决。 实验采用先进数控加工中心设备和金刚石成型铣刀，以石岛红花岗石大圆边 直位花线成形切削的实验过程为研究对象，对花岗石成形切削参数与切削力之间 的相互关系进行了深入分析，并从断裂的角度对花岗石成形切削过程中裂纹的产 生以及扩展进行分析，对花岗石异型制品的加工过程进行分类与分析。 课题采用实验测量分析与数学理论建模相结合的方法进行数据分析与研究。 针对成形加工阶段不同异型制品采用加工工艺、设备、工序和加工要求的不同， 对花岗石异型制品成形加工进彳亍分析，提出了高效加工的切削参数水平的建议取 值。通过在设定的花岗石成形加工工艺参数下进行切削实验，测量得到不同参数 下的切削力信息，分析了石材去除率与各向切削力的变化规律。研究了切削参数 中刀具转速拧、进给速度硌、切削深度绵对石材去除率和切削力的影响程度。 通过实验建立了金刚石成型刀具在异型制品成形加工中的切削母线函数模 型；建立了成型刀具切削花岗石的材料去除率理论公式；根据切削面的几何特点 建立了切削接触面、刀具接触弧长与金刚石单颗粒切削厚度的函数模型；建立了 顺铣、逆铣条件下，切削条件与切削力之间的数学模型。为详细研究金刚石颗粒 在成形切削中各部位的非均匀受力分析与颗粒断裂脱落机理提供了理论基础。 课题的研究为花岗石异型制品成形加工的工艺方式提供了合理化参考，为成 型刀具在花岗石成形加工中的金刚石颗粒不均匀脱落、破损的定量研究提供理论 依据。其研究成果不仅对花岗石异型制品的生产具有指导意义，也将对花岗石异 型制品加工的理论研究产生深远影响。 关键词花岗石；异型制品；成形加工；裂纹；切削 山东省自然科学基金资助项目( q 2 0 0 7 f 0 7 ) 、山东省科技发展计划资助项目( 2 0 0 7 g g l 0 0 0 4 0 0 8 ) v a b s t r a c t 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼! 曼曼曼曼曼量量曼曼曼量曼曼曼曼li ；iii ；i i i i i 一曼曼曼曼曼皇曼曼舅 a b s t r a c t i t sa ne c o n o m i c a la n de f f i c i e n c yt e c h n i c a lw a yw i t ht om a c h i n es p e c i a l - s h a p e d p r o d u c to fg r a n i t ew i t hd i a m o n ds h a p e dt o o l s ，w h i c hi sw i d e l yu s e db ys t o n ee n t e r p r i s e s h o w e v e r , d u et oc o m p l e xc u r v e sm o l d i n gt o o l ，t h ep r o c e s so fc u r i n gt h ep o i n to f c u r i n gp a r a m e t e r s i s i n c o n s i s t e n t ，t h ec u r i n g f o r c eo ft h ed i a m o n d g r a i n i s i n h o m o g e n e o u s s ow ec a n tt og oq u a n t i t a t i v et h e o r e t i c a lr e s e a r c h ，r e s u l t i n gt ot h e t h e o r e t i c a lr e s e a r c hi nt h i sf i e l di ss e r i o u s l yl a g g e db e h i n d ，t h ep r o b l e mi np r o d u c t i o n p r o c e s si s n tb et i m e l yr e s o l v e d w et a k ea d v a n c e dm a c h i n i n gc e n t e re q u i p m e n t ，u s ead i a m o n ds h a p e dm i l l i n g c u r e r , t om a c h i n e1 4c i r c u l a rs u r f a c eo fs t r a i g h t - l i n ef o r m i n go fs p e c i a l s h a p e dg r a n i t e n a m e ds h i d a or e da st h er e s e a r c ho b j e c t i nt h e p r o c e s so fp r o d u c tp r o c e s s i n g c l a s s i f i c a t i o na n da n a l y s i so fad e t a i l e di n t r o d u c t i o no ff r a c t u r em e c h a n i c so fi d e a s ， g r a n i t ef o r m i n gt h ec u t t i n gp r o c e s sa n dt h ef o r m a t i o no fc r a c k si nt h ee x p a n s i o no ft h e a n a l y s i so ft h ec u r i n gp a r a m e t e r sa n dg r a n i t ef o r m i n gt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e c u r i n gf o r c ec o n d u c t e da ni n d e p t ha n a l y s i s w eu s et h ee x p e r i m e n t a la n a l y s i sa n dm a t h e m a t i c a lm o d e l i n gt h e o r yt or e s e a r c h f i r s to fa l l ，w ec l e a r l yp u tf o r w a r dt h es p e c i a l s h a p e dg r a n i t ep r o d u c t si nt h ep r o c e s s i n g o fd i f f e r e n tt y p e so fe f f i c i e n tp r o c e s s i n gd e f i n i t i o n s p e c i a l - s h a p e d g r a n i t eo ft h e p r o c e s sc a r r i e do u tad e t a i l e da n a l y s i so fd i f f e r e n ts t a g e so fp r o c e s s i n gf o rf o r m i n gt h e p r o c e s s i n gm e t h o d s ，e q u i p m e n ta n dp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , i na c c o r d a n c ew i t hc u r i n g d e p t ha n dt h ec o m p l e x i t yo ft h es h a p eo fp r o c e s s i n gt h ed i f f e r e n tp r o d u c t sf o r m i n g d i f f e r e n tt y p e so fg r a n i t ep r o c e s s i n gf o ra n a l y s i s s e c o n d l y , w ea n a l y s i st h ei n a d e q u a c y o ft h et r a d i t i o n a lp a r a m e t e r so fg r a n i t ep r o c e s s i n ga n dp r o p o s et h ep r o c e s s i n ge f f i c i e n t l e v e lo fp a r a m e t e r sv a l u e b ys e t t i n gg r a n i t ef o r m i n gp r o c e s sp a r a m e t e r su n d e rc u r i n ge x p e r i m e n t s ，w e m e a s u r e dp r o c e s s i n gu n d e rd i f f e r e n tp a r a m e t e r so ft h ec u t t i n gf o r c ei n f o r m a t i o n , s ow e a n a l y s i st h ec h a n g eo fs t o n er e m o v a la n dt h ec u r i n gf o r c e 、析t ht h ec u r i n gt o o l p a r a m e t e r ss p e e d 甩，f e e dr a t e 珞d e p t ho fc u ta p w et a k ed i a m o n ds h a p e dm i l l i n gc u r e ra sas e r i e so fv e r yt h i nf i l m so fd i a m o n d s a wb l a d e s w ef i r s te s t a b l i s h e das p e c i a l s h a p e dd i a m o n ds h a p e d m i l l i n gi nt h e v i l 山尔大学硕十号：何论文 p r o c e s s i n go fp r o d u c t sf o r m i n gt h ec u t t i n gl i n e sm a t h e m a t i c a lm o d e ls h o w st h a tt h e m o l d i n gc u t t i n gb u sm a t h e m a t i c a lf u n c t i o n ；f o r m i n gt h ee s t a b l i s h m e n to fad i a m o n d c u t t i n gt o o lm a t e r i a lr e m o v a lg r a n i t et h e o r e t i c a lf o r m u l aa n ds i m p l i f i e df o r m u l a ，t h e f o r m u l ai ss p e c i f i e dt h r o u g ht h eg r a n i t em a t e r i a lr e m o v a lr a t ea n dc u t t i n gp a r a m e t e r so f t h em a t h e m a t i c a lr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h el i g h to ft h eg e o m e t r i cc h a r a c t e r i s t i c so f c u t t i n g - e s t a b l i s h e dc u t t i n gc o n t a c tw i t ht h em a t h e m a t i c a la n a l y s i so ft h ec a l c u l a t i o n m o d e l f o rad e t a i l e ds t u d yo fd i a m o n dp a r t i c l e sf o r m i n gi nv a r i o u sp a r t so fc u t t i n g n o n u n i f o r mp a r t i c l ea n a l y s i sa n df r a c t u r em e c h a n i s ms h e d d i n gp r o v i d eat h e o r e t i c a l b a s i s 1 1 1 es t u d yo ft h i ss u b j e c tp r o v i d ear a t i o n a l i z a t i o no fr e f e r e n c ef o rd i f f e r e n tt y p e s o fg r a n i t ef o r m i n gp r o c e s s i n gp r o d u c t s ，a n dp r o v i d eat h e o r e t i c a lb a s i sf o rp r o t o t y p i n g t o o li nt h ep r o c e s s i n go fg r a n i t ef o r m i n gt h ed i a m o n dp a r t i c l e ss h e d ，d a m a g e d q u a n t i t a t i v es t u d y t h er e s e a r c hr e s u l t sn o to n l yh a v ep r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ea sag u i d et o t h em a n u f a c t u r eo fd i f f e r e n tt y p e so fg r a n i t e ，a tt h es a m et i m e ，t h ei n v e s t i g a t i v e t h i n k i n ga n dw a y si nt h i sp a p e rw o u l dp r o d u c ef a r - r e a c h i n gi n f l u e n c et ot h e o r yo f m a c h i n i n gs p e c i a l - s h a p e ds t o n e k e y w o r d sg r a n i t e ；s p e c i a l - s h a p e ds t o n e ；s h a p e dm a c h i n i n g ；c r a c k ；c u t t i n gf o r c e v i i i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 鲤遗 日期：2 叟旦罗：墨! 圣 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：j 陵导师签名：銎盗丑日 第1 章绪论 ! 曼! ! 曼曼! 曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼苎皇曼! 曼曼曼皇曼曼曼曼! i m l l l ii,i l l , 1 1 课题背景及研究意义 第1 章绪论 我国是石材大国，石材资源丰富，品种多样，分布广泛，储量巨大。石材产 品生产能力强，而且在石材消费和出口方面，我国居世界首位。经世界公认，我 国已成为主导全球石材加工市场的国家之一【。 天然石材不仅因其硬度高、耐磨损、耐腐蚀、热胀冷缩率小等物理特性应用 于精密机械、测量与仪器仪表等行业。还以其天然华贵的色泽、典雅大方的装饰 效果、古朴自然的风格等特点以及坚固耐磨的性能在建筑用料、生活用具、装饰 装修、工艺制品等领域广泛应用。作为天然石材的一种，花岗石材质的异型制品 尤显石材的艺术性和价值。目前，随着人们生活质量的提高，审美能力的增强， 社会对石材异型制品的需求量越来越大，质量档次要求越来越高。石材加工企业 不断扩大异型制品的生产规模，提高产品质量，带动了石材异型制品加工技术的 发展。 花岗石异型制品种类繁多，形状各异，加工方法也多种多样。而金刚石成型 刀具以其良好的形状精度保持性与优异的切削效果在花岗石异型制品切削中获得 广泛应用。但是，在花岗石异型制品成形加工切削去除机理和成型刀具的加工技 术方面，至今没有系统和详细深入的研究，生产中主要依赖积累的经验数据，阻 碍了石材异型制品加工行业生产的发展。由于切削方式的不合理和刀具质量问题， 影响了国内成型刀具的使用寿命和产品的市场竞争力。而花岗石切削去除机理和 异型制品加工技术方面的落后，严重制约着我国在石材加工的切削研究水平。由 此限制了先进加工技术和加工工具的研究开发，影响了石材异型制品生产的发展。 课题的研究旨在优化花岗石异型制品的加工工艺，提高加工效率，改善刀具 使用寿命。一方面通过对花岗石切削去除过程进行断裂机理分析，为优化花岗石 的切削去除过程打下理论基础。另一方面从优化花岗石异型制品的加工工艺出发， 对花岗石异型制品的加工技术进行详细分析。并通过试验为提高花岗石的切削效 率，改进金刚石成型刀具提供理论依据和实验数据。 课题研究成果可以用于指导生产，改善工艺水平，提高生产效率和质量，优 山东大学硕十学位论文 化刀具的切削性能和使用寿命，降低生产成本，具有重大的经济效益，在异型制 品加工方面也有一定的指导意义。同时，课题的研究思路和研究方法也将丰富和 扩展对花岗石切削去除机理以及石材异型制品加工工艺的理论研究。 1 1 1 石材异型制品的定义与分类 石材异型制品通常是指除矩形板材制品以外的其它石材制品。石材异型制品 种类繁多、形状各异，其分类方式也多种多样。行业公认的主要是按制品形状特 点和加工方式进行分类，即平面异型制品、曲面异型制品、回转体异型制品和雕 刻异型制品四大类”： ( 1 ) 平面异型制品 指形状以二维图形为主的台板面制品，主要包括带有边缘花线的室内装饰用 品和厨具。如花线制品、卫生间洗面翁、厨房灶台板、台桌面、拼花板材等，如 图1 1 所示。 图i 2 曲面异型制鼎实例 第1 章绪论 ( 3 ) 实体回转面制品 实体回转面制品指具有对称中线的柱体制品。与圆弧形板的区别在于，圆弧 板是包裹柱体的表面部分，实体回转面制品则是实心或空心的整体柱或拼接柱。 如圆柱、罗马柱、纽纹杜、空心回转体制品、球体、具有回转结构的家居制品、 工艺品、风水球及其底座等，如图1 - 3 所示。 黑懑黪露 嘲 图1 3 实体同转面制品实例 ( 4 ) 雕刻制品 雕刻制品是指没有对称中线以及具有复杂形面的异型制品。包括平面浮雕和 立体雕刻，如立体人像、动植物雕刻品、雕刻柱、壁炉饰面、工艺饰品等，如图 1 4 所示。 霹 圈1 _ 4 雕刻制品实例 圜 从上述石材异型制品的分类可以看出，任何形状的异型制品，都由基本的点、 线、面组成。对异型制品加工技术的研究可以基于简单的异型制品的加工来研究， 找出加工规律，从而应用到所有的异型制品加工中去【3 】o 山东人学硕士学位论文 1 1 2 花岗石异型制品加工及其工具应用分析 石材荒料经丌采、运输到加工工厂后，要经过锯、切、成形、磨抛、表面处 理等多道工序才能生产出符合尺寸及形状和表面质量要求的异型石材制品。总体 上来说，花岗石异型制品的加工可分为选料一坯料加工一型面加工三大步骤。 其中成形加工属于型面加工中的一个最重要的阶段，即按形状加工的阶段， 使石材制品具有所要求的形状。成形d w t 负责表现出异型制品的形状，是后续所 有加工的基础，并为后续加工留出合适的切削余量，同时成形加工还是石材加工 中消耗金刚石颗粒总量最多的工序。因此成形加工是花岗石异型制品加工中的最 关键和最主要的加工阶段，它不仅关系到本工序的加工效率和质量，还决定着整 体产品的加工质量、效率和生产成本。 花岗石加工中使用的工具分为金刚石切削刀具与非金刚石切削刀具。由于花 岗石硬度大、耐磨损、难加工的特点，硬质合金等非金刚石刀具在花岗石的切削 领域已逐渐淡出。而金刚石刀具以其最高的已知硬度和优异的切削性能广泛应用 于石材加工的开采、锯切、整形、磨抛、钻探等各个阶段。 在金刚石切削工具应用于石材加工的过程中，虽然目前已经有切割砂锯、金 刚石工具以及高压水射流、磨料水射流以及激光切割等非传统切削方式，但使用 金刚石工具的加工仍是最主要的方式。在异型制品的成形加工中采用的金刚石工 具主要有金刚石锯片、金刚石串珠锯和成型刀具。如图1 5 所示。 誊睫 a ) 金刚石圆锯片b ) 金刚石串珠锯c ) 金刚石成型刀具 图1 5 异型制品成形加一1 = 中的金刚f i j r = 具 其中成型刀具在石材异型制品加工中的运用是最为典型、最有代表性的一个 方面。可广泛应用于加工板材磨边、造型花线( 直位、弯位) ，加工罗马柱的罗 马槽，加工纽纹柱的纽纹，加工圆柱的柱础、柱帽，以及板材定厚等工序中。 第1 章绪论 曼! ! 曼曼曼! 曼曼曼曼皇曼皇量皇曼曼曼量曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼蔓曼蔓曼曼曼曼曼曼曼曼曼_ i i l 一一! 1 2 课题相关领域研究进展 在石材加工领域中，国内外的研究目前主要集中在花岗石锯切和平面磨抛加 工两大方面。而在花岗石异型制品成形加工的研究方面，目前国内外学者的研究 比较少，主要通过分析单颗金刚石磨粒承受的载荷，研究金刚石刀具磨破损的原 因，探索减少金刚石刀具磨破损的途径，延长刀具的使用寿命。 而利用金刚石成型刀具加工花岗石异型面，是随石材加工工业发展而逐渐发展 兴起的一种新技术，是花岗石异型面高效加工的有效途径。这种加工技术受到了 广大石材生产厂家的欢迎，使用非常广泛。 但是，由于成型刀具切削面形状的复杂多样性，使其受力的研究变得异常复 杂，不利于理论研究。而金刚石锯片因其受力简单、便于简化分析，花岗石的锯 切加工研究在花岗石切削研究领域中占有统治地位。国内外学者对于花岗石的锯 切做了较多的研究，对成型刀具在花岗石异型面加工中的研究较少。 1 2 1 花岗石切削断裂去除机理研究 从断裂角度对切削加工去除机理的研究目前还很少。 金属加工领域，南京工业职业技术学院王道林教授通过断裂力学理论，对金 属切削加工中工件材料的断裂和刀具的失效问题进行研究【4 】，对切削时裂纹的传播 和脆性刀具的破损做了定量分析。通过对金属切削中的切屑进行分类以及对不连 续型切屑的形成过程进行分析，指出裂纹扩展与断裂的不同会导致切屑的不一致。 通过程序编制，实现了根据裂纹和加工条件确定切屑类型的功能。文献还对刀具 的失效形式进行分类，根据裂纹判断刀具的断裂情况，通过软件计算的形式，对 刀具的加工安全进行预报。 石材切削去除机理方面，华侨大学的李远、黄辉、徐西鹏等人对切磨过程中， 花岗石材料去除机理进行深入研究f 5 】。通过对花岗石的断口表面、锯切表面、粗磨 表面和精磨表面进行对比，结合切磨过程中临界载荷、单颗金刚石磨粒所承受切 削力以及比能特征，对加工表面形成机理进行分析。研究指出，材料的去除机理 与单颗磨粒的最大切削厚度直接相关。随着单颗金刚石磨粒最大切削厚度的减小， 花岗石的去除方式也逐渐由脆性断裂为主转为塑性流变为主。由于不同的材料去 山东大学硕七学位论文 除机制对应不同的能量消耗，可以通过调节单颗磨粒的最大切削厚度控制材料的 去除方式，进而控制能量消耗。从而得出结论：均匀的磨粒出露高度对于控制切磨 过程中材料的去除机理和优化加工过程具有重要意义。 1 2 2 花岗石成形加工切削力研究 切削力研究一直是各类加工技术中的重要内容，在金属加工领域的切削力研 究已经比较成熟，但石材加工中由于加工方式繁多，加工情况复杂，还有待更深 入的研究。由于花岗石是一种硬度高、脆性大、成份复杂的天然材料，以及加工 过程的复杂性和随机性，对切削力的纯理论推导很难和生产实际结果相吻合，因 此目前国内外对切削力的研究仍要结合试验进行研究。 无论是花岗石的锯切，还是异型面成型铣刀的铣削，其本质上都是金刚石磨 料在金属结合剂的把持下对岩石材料的磨削过程。锯切的研究成果对研究金刚石 成型刀具加工异型面的切削力也有一定借鉴作用，但是到目前为止，国内外文献 还未见专门针对金刚石成型刀具的加工切削力研究报道。 在花岗石的锯切力方面，国内外学者已经做了大量研究工作1 6 1 引。2 0 世纪7 0 年代，德国学者a b n t t n e r 等就对锯切力进行了试验研究。在随后的几十年中，很 多学者研究了不同条件下锯切力的变化特征，一方面试图建立锯切力与锯切参数 的对应关系：另一方面试图建立锯片切割性能与锯切力的对应关系。华侨大学的 李远教授研究了较大锯切参数范围内锯切力随锯切深度、进给速度、锯切转速、 材料去除率等锯切参量的变化特征以及锯片磨损过程中锯切力的变化【l5 1 。研究表 明磨损过程中，随着锯切的进行，锯切力逐步增大，最后逐渐趋向平稳，达到较 为稳定的状态。s w w e b b 等学者也研究了一个新修整的金刚石锯片从开始锯切到 磨损平稳整个过程中锯切力的变化特征，并建立了耐磨度与锯切力比之间的单调 对应关系。初晓飞、陈光华等还通过实验研究，建立了花岗石锯切过程中锯切力 对锯切深度、进给速度的经验公式【l 引。 欧洲石材工业强国曾经联合实施了一项研究计划，研究探讨实现花岗石超大 切深进行加工的可能性，并且报道了相关研究成果【1 7 - 1 8 1 。但是具体的加工效率没 有对外报道。国内华侨大学李远等人也进行了花岗石超大切深锯切机理与技术研 6 第l 零绪论 ! i n _ _ ，, i,l- i i 究，对花岗石高效锯切做了有益的探索性研究【1 9 1 ，设计了适合超大切深的金刚石 刀具，进行了对比试验研究，取得了很大的进展。 华侨大学徐西鹏等通过实验研究认为，在锯切过程中起主要切削作用的是固 位在金属结合剂中的金刚石颗粒f 2 0 - 2 1 。因此，金刚石颗粒能否有效而充分地发挥 其切削作用是决定加工成本和能否实现高效锯切的关键。锯切中存在最佳载荷条 件，在该条件下，既足以使花岗石顺利解理，而作用到磨粒上的负荷又最佳。各 种锯切条件的选择应以围绕产生这一最佳载荷条件为前提。在锯切力的研究中， 通常通过单颗粒的切削几何参数，来推导切削力。 1 3 课题研究思路、主要内容与章节结构 1 3 1 课题来源 相比大理石来说，花岗石作为一种更难加工的典型的脆性材料，对它的加工 研究主要集中在切削与磨抛两个方面。其磨抛机理与加工工艺已得到国内外很多 专家、学者的重视和研究，并取得了很多有价值的成果。而在花岗石的切削领域， 在花岗石材料的去除机制方面，国内外的研究都比较落后，目前的研究主要集中 在金刚石圆盘锯的锯切加工上。由于金刚石成型刀具形状多样、种类繁多，给其 加工研究带来极大的麻烦，关于金刚石成型刀具的加工目前国内外还缺乏深入的 研究，在金刚石成型刀具的磨破损规律方面至今还没有较大的突破进展。 在深入剖析国内外花岗石成形加工实践和研究现状的基础上，山东大学山东 省石材工程技术研究中心提出了从深入揭示花岗石材料成形去除机理入手，以实 验测量与数学分析为手段，开展高效成形加工的研究思路。课题研究领域花 岗石高效加工技术，从属于山东省科技攻关计划项目。课题在山东省自然科学基 金资助项目( z 2 0 0 7 f 0 7 ) 、山东省科技发展计划资助项目( 2 0 0 7 g g l 0 0 0 4 0 0 8 ) 资 助的资助下开展，本学位论文是课题研究部分工作内容的总结。 1 3 2 课题研究思路与主要研究内容 课题以花岗石材料的物理特性与成形加工特点为依据，通过花岗石裂纹扩展 理论对材料的去除机理进行初步研究，同时对花岗石成形加工的高效加工工艺进 山东人学硕十学1 1 c 7 ：论文 行分析。根据材料的去除机理与单颗磨粒的切削厚度以及金刚石颗粒的受载条件 直接相关的条件，本课题力图通过研究金刚石颗粒的受载方式与条件，研究优化 材料去除方式的方法。 从积分的角度来看，金刚石成型刀具的切削作用相当于一系列厚度几乎为零 的圆盘锯的叠加。课题通过切削实验对花岗石成形加工进行研究，探讨花岗石成 形加工中工艺切削参数与切削力和单颗粒切削厚度之间的联系，通过数学分析建 立刀具在切削过程中的数学模型，并通过实验数据进行分析和验证。 论文的主要工作包含以下几个方面： ( 1 ) 在花岗石的切削去除机理中引入断裂力学的研究方法，结合花岗石本身 存在的大量位错缺陷和微裂纹等物理现象以及抗拉应力远小于抗压应力的特性， 对花岗石切削瞬间裂纹的扩展及断裂崩碎过程的详细分析。指出材料的去除机理 与单颗磨粒的切削厚度以及金刚石颗粒的受载条件直接相关的条件，以期通过改 变切削参数来调节金刚石颗粒的受载条件，降低切削力，探寻花岗石去除的最佳 方式。 ( 2 ) 通过详细定义花岗石异型制品加工中异型面高效成形加工，对花岗石异 型制品的加工过程与工艺工序、花线制品的加工方式、成形加工及成型刀具的应 用进行分析。通过对花岗石异型面成形加工的工艺参数进行分析，提出高效加工 的工艺参数水平的建议取值。 ( 3 ) 以花岗石的直位花线成形加工实验为手段，测量计算切削过程中切削参 数与切削力、材料去除率等过程参量。通过实验测量和数学分析的手段，推导出 切削力与各切削参数之间的数学模型，以此探寻各参量之间的相互关系，为详细 研究金刚石颗粒在成形切削中不同切削部位的颗粒断裂脱落机理提供理论基础， 达到指导和优化切削进程、提高刀具寿命的目的。 8 第2 章花岗石切削断裂去除机理研究 第2 章花岗石切削断裂去除机理研究 深入理解切削过程中花岗石材料的去除机理是优化加工设备、加工工具以及 加工参数的基础。针对花岗石的特殊结构与加工方式，方便研究起见，对其切削 机理大多采用单颗金刚石磨粒划擦和以压痕理论为基础的磨削实验研究方法。为 了从微观上深入理解花岗石脆性材料在切削过程中的材料破坏与断裂去除机理， 本课题引入了断裂力学理论的研究方法。 断裂力学是在材料力学的基础上产生与发展起来的，但不完全承认材料的均 匀连续性假说，认为材料或结构总是会有缺陷的，并由此引发材料的低应力脆断 现象。为了弄清工程材料在远低于计算强度的低应力下发生脆性断裂的原因，探 讨如何控制和防止结构的断裂破坏，于是出现了旨在确保构件安全设计的断裂力 学。课题意图从裂纹的产生与扩展角度解释花岗石材料在切削过程中的去除机理， 通过借鉴其基本思想，寻求利用花岗石的特殊性能在远低于其结构强度的应力下 完成切削，从而大大降低切削力，达到优化切削过程的效果。 2 1 断裂力学及其断裂理论在材料去除方面的应用背景 2 1 1 断裂理论及裂纹技术的定义 随着现代工业的发展，大量大型工程构件广泛使用，由于存在和孕育其中的 裂纹使材料产生低应力脆断，造成了许多灾难性事故，使得裂纹更多的是以有害 而加以防止。通过断裂力学的研究，对裂纹扩展导致的低应力下发生断裂进行反 思，可以驾驭裂纹应用于高效低能耗的切削加工。 大量的理论和实验统计表明：在适宜的预加载荷方式造成的敏感应力状态下， 利用人为切口的应力集中效应或缺口效应，可以通过裂纹的扩展实现固体材料连 续界面快速和规则的分离。同安全设计相反，通过故意制造裂纹，故意使裂纹扩 展并控制裂纹的扩展方向，努力把裂纹的破坏作用转化为形成新表面的积极作用， 使可怕的低应力脆断在机加工中获得利用【2 2 1 。我们将这项研究工作称为裂纹技 9 山尔人学硕十号：位论文 术。 裂纹技术是断裂力学和现代断裂理论的发展和延伸，它需要人为快速地在欲 断件上制造裂纹，要使裂纹迅速通过亚临界扩展区，使失稳后的裂纹按预定方向 规则扩展，在工件材料不发生宏观变形、不改变材料的金相组织和机械性能的前 提下，以低应力脆断的形式进行。也就是要使一个缓变、失控的自然过程变为一 个突变、有控的人为过程。通过解决这一系列问题，引导裂纹理论进入新的研究 领域，并丰富和发展裂纹理论。 2 1 2 断裂技术在材料去除领域的应用 在石材矿山开采方面，利用裂纹理论进行石材的爆破开采方法已经得到了广 泛的实际应mr 2 3 1 。石材爆破最基本的要求是使爆破裂隙按预定方向启动和发展， 提高成材率。通过研究石材爆破成缝机理，分析石材爆破中各种破坏性断裂的特 点，从而采取相应的措施加以控制，以达到预期的爆破效果。 在利用断裂理论讨论金属切削中工件材料的去除问题方面，目前的研究进展 并不太多。受到裂纹观察试验的约束，通常通过切屑对其进行分析，以不连续切 屑为讨论的重点 4 1 ，将切屑分为连续、准连续和不连续三种。认为不连续型切屑 形成时，材料中裂纹或是周期性地出现不稳定传播现象或是稳定地成长，并导致 断裂。在断裂发生后的瞬时，前刀面上仅有少量或甚至没有切屑材料，当工件继 续靠近刀具时，切屑沿前刀面向上移动，产生很大的压缩和剪切应变。这时如转 变为不稳定状态，则易于形成裂纹，将切屑分开。这种循环不断重复地完成，于 是便形成不连续型切屑。由于切削速度通常远远低于裂纹传播速度，因此裂纹一 旦进入不稳定状态，断裂将随即发生。 通常认为金属切削中与裂纹传播方式有关的三种不连续型切屑是拉伸型、剪 切型和撕裂型。在拉伸型与剪切型中，裂纹的传播是不稳定的，前者，裂纹传播属张 开型，而后者则属滑开型。它们的裂纹均在第一变形区内传播，屈服是有限的。在 撕裂型中，裂纹传播速度比较稳定，它受到邻近材料塑性变形的约束，其形状主要 属于张开型。不连续型切屑中的韧性型是指在没有裂纹的条件下，由于发生严重的 1 0 第2 章花岗石切削断裂去除机理研究 屈服现象和塑性不稳定，导致单元切屑的形成。从而根据不同加工条件和加工参 数，用断裂力学的方法推断出切屑的类型，以此对金属切削中的切屑断裂机制进 行研究。 2 2 花岗石结构成份对切削加工中裂纹形成及扩展的影响 2 2 1 花岗石的组成成份与结构构成 花岗石是商业名称，它包括岩浆岩类、片麻岩类和混合岩类，有时还包括各 种石英岩，但通常以二长花岗岩、钾长花岗岩最常见，其成分主要为钾长石、斜 长石、石英、黑云母、角闪石等，花岗结构，斑状结构。块状构造。在石材行业 中，凡是由岩浆岩形成的石材都称之为花岗石。 花岗石的硬度与可加工性能主要决定于石英的含量与粒度的大小。除了石英 之外，花岗石的组成成份还有正长石、斜长石、辉石、角闪石、橄榄石、白云母、 黑云母、蛇纹石、高岭土、方解石、白云石等等，它们也在不同程度上影响着花 岗石的切削加工【2 4 1 。这些矿物成份的分子式、硬度及晶形如表2 1 所示。 表2 1 组成花岗石的各矿物的分子式、硬度及晶形 矿物名称分子式莫氏硬度品形 止长石 k a i s i 3 0 s 6单斜 斜艮石 c a a 1 2 s i 2 0 s , n a a 1 s i 3 0 8 】 6 = 斜 辉石 c a ( m g ，f e ，a i ) 2 ( s i ，a 1 ) 2 0 6 5 6 单斜 角闪石 c a 2 n a ( m 9 2 f e 2 + ) 4 ( a i ，f e 3 + ) 5 5 - 6单斜 【( s i ，a i ) 4 0 , , 2 o h 】 橄榄石 ( m g ，f e ) 2 ，s i 0 4 6 5 7斜方 白云母 k a l 2 a i s i 3 p , o o h 2 2 5 3单斜 黑云母 k ( m g ，f e ) 3 a i s i 3 0 , o f ，o h 2 2 。5 3单斜 蛇纹石 m 9 6 s i 4 0 l o o h 8 3 - 4单斜 高岭七 a 1 4 s i 4 0 , o o h s 1单斜 石英 s i 0 2 7 六方 方解石 c a c 0 3 3六方 白云石 c a m g c o 3 3 5 4六方 不同种类的花岗石由于形成原理及地质环境等条件的不同，在矿物成分、晶 体粒度、晶粒形状及组织结构等方面具有很大的差异，甚至同一品种的花岗石， 山东大学硕十学位论文 也具有广泛的非均质性。花岗石的不同成分、结构、构造决定了石材的强度等物 理化学性能和可加工性。 2 2 2 花岗石微观晶体分析 花岗石的内部结构以晶体结构和斑晶结构为主，它的各种造岩矿物中绝大部 分也由晶体构成。 晶体的成分不同，质点间的作用力及其排列方式也就不同，晶体构造也就随 之而异。离子、原子、或分子在空间有规律的排列型式就是晶格，一组质点组成 一个晶胞，构成晶体的基本构造单位。晶格不间断地增长就形成晶体。晶体结构 中，晶格质点间的结合力称为化学键。典型的化学键有离子键、共价键、金属键 及分子键。 在花岗石中，多种晶体的结合物与组成该结合物的每个晶体的物理力学性能 是不完全相同的，区别在于结构不同。单晶体是按一定的晶格结构紧密有序地排 列而成。而多种晶粒的结合物是在共生的状态下形成的，晶粒的边界杂乱无章， 所以每种晶粒多无规则的外形。因为岩浆中的硅酸盐成分具有很大的物理化学的 活动性，各种成分没有准确的比例，在各种随机比例状态下形成各种相应的化合 物，因此各种晶粒或晶体分布不均，排列杂乱，接触面间的距离也不相等，一般 都大于晶格中质点间的距离，所以其结合力也小于晶格间的结合力。因此把这种 接触面可以看成是不发达的分界面，或称之为隐裂纹，岩石受力后多由此断裂。 由于花岗石的非均质性，各晶粒间的不同结合力在很大程度上影响着由多种 晶粒组成的花岗石的弹性性能，通常不服从胡克定律，弹性模量也非常数。在压 应力状态下，接触面上质点间距离缩小，相互作用力增大，弹性模量也有增大的 趋势。而在拉应力状态下则恰恰相反。由此原因造成岩石的压应力强度远大于拉 应力强度【2 5 1 。 根据大量实验结果分析，我们知道花岗石的实际材料塑性变形强度和断裂强 度要远小于强度的理论计算值。其中实际花岗石材料塑性变形强度实测值f ，大约 为计算值的1 1 0 0 1 1 0 0 0 ，实际断裂强度盯晴为计算值的1 1 0 1 1 0 0 。 第2 章花岗石切削断裂玄除机理研究 曼i , i i i i i 量舅寡曼鲁寡曼曼量 国内外专家经研究后一致认为，实际强度与理论强度的巨大差异，是由于花 岗石等岩石的本质缺陷造成的。这种缺陷在宏观上表现为裂纹缺陷，在微观上是 晶体中的缺陷所致。花岗石等岩石中的缺陷，如包含体、孔洞、空隙裂纹及各种 矿物晶体间的接触面等，都可视为宏观缺陷，在岩石断裂力学研究中将其统称为 g f i f f i t h 裂纹，这些是断裂力学的主要研究内容。而晶体中的位错型缺陷等，则称 之为微观缺陷。这两种缺陷常常同时出现，是花岗石切削去除机理中的两大关键 影响因素。 2 2 3 裂纹成核因素分析 i n g l i s 通过对均匀受力平板上的椭圆孔的应力分析，得出结论认为即使一些亚 微观缺陷也可以成为固体弱化的潜在因素。并通过i n g l i s 方程将一条裂纹当作一个 短轴极短而趋近于零的无限狭窄的椭圆孔的极限来处理。g r i m t h 通过对脆性固体 的研究得出结论，即典型的脆性固体必定包含许多亚微观缺陷，微型裂纹或其他 用常规手段无法发现的非常小的不均匀粒子。并把这些称之为c n i f f i t h 裂纹或 g f i f f i t h 缺陷【2 5 】。 关于g r i m m 的缺陷理论目前已经被普遍接受，成为脆性材料研究的基本要素。 虽然缺陷在形成局部应力集中过程中的作用已十分明确，但由于岩石缺陷的特征 对许多结构因素十分敏感，其成核过程的本质仍不太清楚。其中比较重要的影响 因素有： ( 1 ) 内聚键和原子结构的性质 固体的任何力学性质最终都是由原子结构决定的。结晶矿物中，沿着某些结 晶面，原子键特别容易发生张性断裂，例如解理或滑移。这种各向异性对材料缺 陷的产生有很大影响。 ( 2 ) 缺陷结构 花岗石等岩石中包含着许多缺陷和不均匀体，它们都是c r r i f f i t h 缺陷的潜源。 其中包括点缺陷，如空位、填隙子、替代式杂质；线缺陷，如位错；面缺陷，如 晶界、双晶面、相界面或裂纹本身：体缺陷，如空穴、气泡、淀积物、掺杂物。 山东大学硕十学位论文 总之可认为由上述缺陷组成了材料的微观结构。 ( 3 ) 样品史 缺陷的性质与分布在很大程度上取决于材料所受的力、热和化学作用的历史。 在花岗石的开采与加工中，上一工序的加工对花岗石缺陷与裂纹的产生与分布有 着重要影响。 花岗石所属的硅酸盐类造岩矿物占花岗石成份的绝大多数，属于高脆性材料。 在高脆性材料中，位错是受约束的，材料产生缺陷的主要特征是键断裂，断裂阻 力主要决定于固体的固有键的强度。 高脆性材料内的缺陷有三个重要特点： ( 1 ) 小的缺陷能大大的影响材料的强度，微米级缺陷能使材料断裂强度降低 1 0 0 倍。 ( 2 ) 缺陷是随机分布的，其大小、位置和方向多种多样。 ( 3 ) 缺陷主要出现在材料表面，因而极易受外界影响。当然也有内部缺陷作 为主要原因的。 2 3 花岗石切削过程中裂纹的产生与变形理论 在花岗石切削过程中，花岗石材料通过与金刚石颗粒直接接触受载，在金刚 石颗粒的频