（固体力学专业论文）超声振动磨削消除陶瓷加工表面缺陷的机理研究.pdf

一型戤型燮p 旷 摘要 本文综合论述了国内外陶瓷加工的研究现状，针对当前陶瓷 加工表面存在加工缺陷的实际难题，根据陶瓷等硬脆材料的切削 形成特点，并结合超声振动磨削这一新工艺的加工特点，研究确 定了消除加工表面缺陷的超声振动磨削条件。利用扫描电子显微 镜，研究分析在不同载荷下，不同原子结构的陶瓷材料s i c 和 煳z 0 3 的表面裂纹产生和扩展的情况。同时，根据超声振动加工 的特点，确立了超声振动磨削时陶瓷材料去除的理论模型。利用 光学显微镜对不同磨削深度条件下，普通磨削与振动磨削陶瓷材 料s i c 和2 0 3 所得到的加工表面形貌的对比分析，以及不同磨 削条件对加工表面粗糙度影响的研究分析，验证了超声振动磨削 陶瓷材料模型的可行性。提出了陶瓷材料在一定超声振动磨削参 数下，可对陶瓷材料进行塑性去除的观点 关键词：超声振动陶瓷磨削缺陷消除机理研究、 一 曼虚茎望奎兰堡窒兰兰堡垒茎 - _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ h _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to f m a c h i n i n gc e r a m i c si sd i s c u s s e ds y s t e m a t i c a l l y i nt h i s 廿l e s i s f o c u s e do i lp r a c t i c a lp r o b l e m w h i c hi st h a tt h e r ea r e m a c h i n i n g d e f e c t so nt h em a c h i n e dc e r a m i cs u r f a c e ，a n dt h e c h a r a c t e r i s t i c so fc e r a m i c c h i pf o r m i n g a n du l t r a s o n i cv i b r a t i o n g r i n d i n g t h eu l t r a s o n i cv i b r a t i o ng r i n d i n gc o n d i t i o n sw h i c hc a nb e u s e dt oe l i m i n a t et h em a c h i n e ds u r f a c e d e f e c t sw e r es t u d i e da n d d e t e r m i n e d t h eb i r t ha n de x p a n s i o no fm a c h i n e ds u r f a c em i c r o c r a c k o fs i ca n da 1 2 0 3 谢也d i f f e r e n ta t o m i cs t r u c t u r ew e r ed e s c r i b e du n d e r d i f f e r e n t l o a d i n gw i t hs e m t h et h e o r e t i c a l m o d e lo fr e m o v i n g c e r a m i cm a t e r i a lw a se s t a b l i s h e di nt h ec o n d i t i o no fu l t r a s o n i c v i b r a t i o ng r i n d i n g 1 1 1 es u r f a c em o r p h o l o g i e sg r o u n db yc o n v e n t i o n a l 舟- i n d i n g a n du l t r a s o n i cv i b r a t i o n g r i n d i n g w e r e a n a l y s e d c o m p a r a t i v e l yw i 出d i f f e r e n tg r i n d i n gd e p t h a n d 也ei n f l u e n c eo f d i f f e r e n tg r i n d i n gc o n d i t i o n so ns u r f a c er o u g h n e s sw a ss t u d i e d b a s e d o i lt h e s er e s u l t s t h ef e a s i b i l i t yo ft h em o d e lo fu l t r a s o n i cv i b r a t i o n g r i n d i n g c e r a m i cm a t e r i a lw a sv e r i f l e d 1 1 1 ev i e wt h a tc e r a m i c m a t e r i a lc a l lb er e m o v e dp l a s t i c a l l yu n d e r a p p r o p r i a t e u l t r a s o n i c v i b r a t i o ng r i n d i n gp a r a m e t e rw a s p u tf o r w a r d k e y w o r d s ： u l t r a s o n i cv i b r a t i o n ，c e r a m i cg r i n d i n g ， e l i m i n a t i n gd e f e c t ，m e c h a n i s m 一堕堕奎望叁堂鲨茎生兰垡望塞 第一章绪论 1i 前言 材料科0 i 是当今世界的前沿学科之 ，是新技术革命的前沿 ：一：地。丰才料科学发展的水平，代表了人类社会发展的水平，是人 j 他会文明的标志。随着新材料的不断出现及使用范围的口益广 ；：，人类生活的空间不断得到扩展，以往。一些因材料限制而不能 做的工作或复杂化了的工作，随着颓材料的应用，将会得到开拓 p i 的进展。但是，新材料的出现也陌_ 卡革给人类带来一系列需要锵 次的问题和困难，新材料的加工技术问题就是其中之一。 由于现代高温结构陶瓷具有特定的精细显微结构，因而具有 矗硬度、高抗压强度、耐高温、耐腾蚀、耐磨损、抗蠕变、低密 瞍、低膨胀系数和低导热系数等特殊性能，故在航天、航空、汽 乍、能源、机械制造、电子、化：【、：毫物工程以及医疗事业中正 4 、断扩大其应用，是现代工程材料的三大支柱( 金属、复合材料 和精细陶瓷) 之一。 在精密机械零件的应用中，烧终成型后的陶瓷坯料必须经过 耥密的机械加工。由于结构陶瓷材料硬度高、弹性模量大、断裂 劬性低，使得机械加工极为困难，属难加工的硬脆材料。传统的 金刚石砂轮磨削加工陶瓷效率低、成本高，更重要的是加工表面 存在加工缺陷，这严重影响了陶瓷零件的使用强度和可靠性。因 而开展消除陶瓷材料加工表面缺陷的技术研究，对于陶瓷材料的 推广应用具有非常重要的意义。 1 2 陶瓷材料简介 】2 1 结构陶瓷的应用及发展概述 陶瓷材料一般认为是指以无机非金属物质为原料，经高温 ( 5 4 0 。c 以上) 烧结而成的材料。【2 1 陶瓷一般分为传统陶瓷材料 和结构陶瓷材料，传统陶瓷材料一般只用来做生活用品，这些陶 瓷采用天然原料制成，成分复杂，杂质多，性能不稳定，不能满 足工程结构上的使用要求。结构陶瓷材料是在近二、三十年发展 起来的，与传统陶瓷生产工艺不同，结构陶瓷材料由化学方法制 塑塑至望垡墅! 望型坠一一一 备的高纯发或纯度可控制的原材料制成，制造加工工艺过程要受 到jr z 格控制。结构陶瓷除了保持一般陶瓷的特点外，在抗热振和 增韧方面都有较大的提高，因此在工业领域中得到广泛应f 托。 高温结构陶瓷和陶瓷发动机的石j 1 制是国际公认的高科技领域，荚 旧纽约时报在与美匡高校、政霄部门和工业科技界讨论之后 i j 、为：以陶瓷为代表的新栩* 将成为9 0 年代世界十大发展趋势 之。l j 】采用陶瓷制造的发动考i 零什能茁1 2 0 0 c 1 5 0 0 。c 高温 - j ：常工作，而当今世界以金属n i 、c o 及其高温合金制造的发 动机，最害冯区动温度不能超过1 0 5 0 丑：需要配置体积庞大的 冷却系统。这不仅消耗大量稀有金属， 面且有效功率只有 2 0 3 8 。采用陶瓷发动机町取消冷却系统，使自重大大降低， 提高了效率，燃料消耗西降低3 0 以上，书约了能源。口叫 曰本己把工程陶瓷列为最近十年最有价值的技术发明之 一，居予超级电子计算机、太空技术和办公室自动化之前， 义次 于生物工程和工业机器人。1 4 18 0 年日本通产省在下世纪产业基础 技术研究开发计划中，把：e 程陶瓷作为该计划的主要部分之一。 最近五十铃汽车公司研制成功了以小型柴油发动机为基础的电 子控制陶瓷涡轮复合发动机，这种发动机的活塞环与燃烧室有关 的部分全部用氮化硅、氮化锆等陶瓷制造。垆j 此外，在机械密封方面，在某些场合，陶瓷密封替代硬质合 金已成为必然趋势。由于在旋转机械如泵、搅拌机的轴密封中， 这要求机械密封的两个密封端面既能相对旋转滑动，又不能使流 体从滑动面泄露，因此，密封材料必须具有摩擦系数小、磨损率 低和寿命高的特点。传统的机械密封件一般是耐磨性好的硬质合 金材料和石墨材料组合使用。但是，随着这些机械向高速化、高 压化以及大型化方向发展，使用的环境条件越来越苛刻，处理的 流体种类越来越多，流体的温度变化范围越来越大例如，_ = 原 子反应堆冷却液处理系统中，由于冷却液温度高，并含有许多硬 质小颗粒，在泵体中只有采用陶瓷密封件，才能延长其使用寿 命。 氮化硅陶瓷耐磨性好，强度高，且有自润滑性，可以作为轴 承材料。陶瓷轴承与普通轴承相比具有极限转速高、负荷大、寿 西南交通人学研究生学位论文 命长和重量轻的特点。美国、日本、英国、德国等国家相继开始 r 这方面的研究。目前，美国已研制出了陶瓷轴承，其重量减轻 6 0 ，强度提高一倍，且不需润滑油，成本也较低廉。 工程陶瓷的使用在我国起步较早，早在五、六十年代就开始 了陶瓷刀具切削金属材料的研究，“七五”期间，我国对高温结 构陶瓷和陶瓷绝热发动机进行了重点研究，完成了无水冷柴油机 s i ，n 。活塞顶的实验。在陶瓷轴承的研制中，我国已开始起步， 有些研究已取得初步成果，在陶瓷密封件方面，我国已进入了实 用化生产阶段。总之，工程陶瓷已开始在各工业科技领域得到应 用，并越来越受到人们的关注。 】2 , 2 陶瓷材料性能特点 研究陶瓷加工必须首先了解陶瓷的力学性质，而陶瓷材料的 力学性质又和它们的显微结构密切相关。 物质结构是指材料的化学建和结晶结构。一般材料有四种化 学键结合形态：金属键、分子键、离子键和共价键。键的性质不 同，材料的基本性质有很大的差别。大多数材料一般是由两种或 两种以上的结合键形成的。 表1 1常用精细陶瓷的结构特剧1 0 结构特点 陶瓷种类阴离于排阿 高了填充情况结构名称结台键比例( ) 列方j l =离子健共价键 氧化 z r 0 2 面心六方1 2 札方体闻隙萤石 6 73 3 物系 a j 2 0 3 密持六方2 3 八由体问隙川玉 6 33 7 1 e 氧化 s b n ( 六方)3 07 0 物系s l c血心口方( 问八，方品格闪锌矿 l l8 9 中j 陶瓷材料的性能在很大程度上是由微观结构所决定洲6 1 。陶 瓷晶体结构一般是由共价键或离子键混合组成的。不同陶瓷材料 的共价键和离子键所占的此例不同，如表】，】所示，性能也有所 差异。共价键的主要特点是它的方向性。共价键的方向性，使晶 两南交通人学研究生学位论文 体拥有较高的抗晶格畸变和阻碍位错运动发展的能力，使陶瓷呈 现出较高的硬度和弹性模量。离子键晶体的方向性不明显，主要 丧现为静电作用力，静电作用力是决定离子键陶瓷结构的主要因 索。根据库仑定律，离子键的静电作用( f ) 与两个静止的集中 电荷q 、q 都成正比，与原子间距离r ( m ) 平方成反比，即： f ：一k 垒塑( n ) r 1 式中k 为常数k = _ t i 9 j u 具有离子键的陶瓷材料在静电作用卜呈现出较高的强度。【7 1 材料中离子键比例越犬其强度受温度影响越大。f 8 1 而共价键 材料则不受温度升高的影响。所以共价键的陶瓷具有热膨胀系数 低及导热率高的特性。【3 】【8 】 陶瓷材料主要由晶相、玻璃相和气相( 气孔) 组成。晶相是 陶瓷材料的主要组成部分，决定了材车斗的物理化学性质。玻璃相 ( 或不纯物偏析层) 的作用是充填晶粒间隙，粘接晶粒，使陶瓷 材料致密，降低烧成温度等。气相( 气孔) 在陶瓷材料中占有重 要地位。气孔的存在使陶瓷材料导热率下降，介电损耗增大，抗 电击穿强度降低。同时，气孔往往是应力集中的地方，并且有可 能成为裂纹源，使材料强度降低。研究表明，工程陶瓷在制备过 程中产生的晶体缺陷主要有：1 8 】 l 点缺陷：空位、填隙原子等 2 线缺陷：位错、塞积 3面缺陷：晶界、双晶面、相界、堆垛层、裂纹等 4 体缺陷：空洞、气孔、夹杂物等 陶瓷材料中存在缺陷，对陶瓷材料的机械性能及加工时的切 除机理都有较大的影响。晶体缺陷对工程陶瓷材料的硬度、强 度、脆性及裂纹成核的影响极为敏感，工程陶瓷的断裂破坏琶先 发生在晶体缺陷的薄弱环节。 1 2 3 常用结构陶瓷材料的性能 a j 2 0 3 、z r 2 0 、s i 3 n 。和s i c 是常用的结构陶瓷材料，它们的 性能见表1 2 。 两南交通、学埘，。生学位论文 表1 2 各种陶瓷材料性能( 室温) 性能陶瓷种类 a l 2 0 3 z r ，o s i 3 n 4 s i c i 曾，。复pf 】0 3 k g m 3 ) 3 9 563 】53 2 弹性模量e ( g p a ) 3 5 52 1 53 3 04 2 0 抗弯强度ob b ( m p a ) 4 6 05 9 09 0 0 5 6 0 抗压强度oh 。( m p a ) 2 5 0 04 0 0 04 0 0 0 维氏硬度h v 】7 5 01 2 0 01 8 0 02 8 0 0 断裂韧性k j c ( m p a m “2 ) 3 - 49 - l o5 64 6 热膨胀系数of 1 0 矗k ) 798 7 3 24 1 导热系数k ( m k ) 2 9 4】8 8】4 79 2 4 结构陶瓷之所以受到广泛关注，是因为它具有某些金属无法 比拟的性能。陶瓷的性能归纳如下： f 1 ) 高温强度好。在室温下，氮化硅和碳化硅的抗拉强度仅 为钢的1 3 l 2 。但当温度超过1 1 7 3 k 时，陶瓷的强度便胜过钢。 4 3 】 ( 2 j 密度小。氮化硅和碳化硅的密度比铝仅大1 0 ，比铸铁 小5 5 ，s i ，n 。和s i c 的比重仅为最先进的超级合金的1 3 ，钢的 1 2 。低密度与高温强度相结合，使陶瓷可以用来制造气门和增 压器蜗轮这样的零件。 ( 3 ) 低导热。氧化锆涂层的导热性极低，碳化硅的导热系数 较高，不能作为绝热材料使用，氮化硅的导热性介于碳化硅和氧 化锆之间。 ( 4 ) 磨擦磨损性能好。陶瓷的硬度大大高于金属，金属和陶 瓷配对滑动时，在有润滑条件下，不仅陶瓷的磨损极小，连金属 的磨损也比金属相互配对时小。因此，陶瓷适合用来制造在高载 衙及润滑不足条件下高速滑动的零件。 1 3 陶瓷材料加工技术介绍 目前，陶瓷零件的制作是经过原料粉末成形，烧结而后经过 机械加工而成为产品。陶瓷材料在烧结过程中收缩，零件的精度 塑堕奎堡! ：兰竺垄生兰堡垒墨一 和尺寸不可避免要发生改变。：勺满足零件的尺寸和精度，陶瓷栩 料零件必须经过机械加工过程，窟。能使用陶瓷的加工和表而处 理是精细陶瓷实用化必不可少的重要环节。坨1 陶瓷的加工方法很 多，若按供给能量的方式进行分类，可分为机械的、化学的、电 ，浮的和光学、声学的加f 。现在陶瓷加工发展的趋势是将几种能 量形式进行综合，例如。电化。等加i 、激光化学加工、电解电火 花，磨削加工( mee ( ：】等都是能量综合的加工方法。【1 3 j e j 前， 陶瓷材料的加： 方法见【冬= | 1 j 。 7 ，学m “j 亿学加工 光化学加工 电化学加工 电气加工 光学加工 凋定磨利加 出鼢勘旺g 淼攀加1 叼具加工_ _ _ 一一f 1 1 切削加工 、1 ：岩4 断 一一一一r 1 3 刻蚀 l 1 4 化学研磨 】5 光蚀 1 6 电解研磨 一一i ；薹差窭囊嘉工 一一2 0 激光加= 【 图11加 。方法分类图 目前，可用于加工陶瓷的。力法尽管很多，但从生产率方面考 虑，能广泛应用于工业生产的力法是机械加_ 法。据日本精密陶 工阻 加 加磨 波 削磨精带磨声光抛磨珩超砂研超抛滚 也b一佟盯啦 在加工区供给超硬磨料，依靠超声冲击超硬磨料，对工件进行蚀 刻来加工的。这种加工方法效率较高，加工表面光洁度好，因而， 被应用于打孔和不规则沟槽的加工。放电加工，激光加工、电子 束加工等热电加工技术，是通过熔化和汽化来去除材料。由于熔 化的材料重新固化后，会产生微裂纹，材料强度会大大下降。放 电3 n q - 只适用于导电材料的加工，如硼金属陶瓷等。激光加工用 于打孔和切割等方面，但加工时需要大量能量，而且效率不高。 电子柬加工适用于难加工材料的小孔加工，但由于去除率很低， 难以得到商业应用。目前，陶瓷材料大多数是非导电材料，故 很难应用电火花加工或电解加工等电能加工方法。由于受到上述 条件的限制，陶瓷材料的加工通常采用金刚石砂轮磨削。金刚石 砂轮磨削加工是目前工业普遍应用的加工方法。1 1 5 陶瓷材料在磨削加工时会产生微小的破碎，由于砂轮在加工 表面划出的切削痕迹、损伤、微裂纹等而形成表面粗糙度。这些 往往是引起材料破坏的起点，也导致材料强度下降，材料强度的 降低与表面损伤的深度有密切关系。通常表面粗糙度低，材料的 强度基本不变，表面粗糙度高，。材料的强度就随之下降，如图2 6 】所示，根据不同情况，材料强度竟降低1 2 。 因此，在降低陶瓷材料加工成本，提高生产率，提高表面加 工质量等方面还有许多课题需要研究f 1 8 】。1 9 9 1 年美国橡树岭国 家实验室执行由美国能源部资助的“陶瓷廉价加工计划”为期5 年经费预计4 8 0 0 万美元，这项计划的总目标是研究价格低廉， 而又能保持部件性能不变的陶瓷精密加工技术，提高美国结构陶 瓷部件在国际市场上的竞争能力，因此，根据陶瓷材料的特性， 研究开发出适合陶瓷材料加工的加工技术是很重要的。1 2 9 j 两南交通人学研究生学位论文 一 1 善 毯 鐾 静 蘑削表面粗糙度r a ( p r o ) 图1 2 弯曲强度与磨削表面租糙度的关系f 1 6 】 超声振动磨削正是结合超声振动加工效率较高，加工表面质 量较好的特点，以及普通磨削的广泛使用性而产生的。 1 4超声振动加工技术的发展概述 超声加工方法是起源于5 0 年代初期，并逐步发展起来的一 种新型加工方法，在难加工材料的加工和精密加工中，超声加工 方法具有普通加工无法比拟的： 艺效果，具有广泛的应用范围 】。近年来，日、美、俄、英、德等工业发达国家对这新工 艺新技术给予普遍重视，并取得了较大进展与生产性应用【3 2 1 。 超声振动加工，是指给工具或工件沿一定方向施加超声频振 动的加工方法。超声加工系统由超声波发生器、换能器、变幅 杆、振动传递系统、工具、工艺装置等构成。超声波发生器的作 用是将2 2 0 v 或3 8 0 v 的交流电转换成超声频机械振动，变幅杆 的作用是将换能器的振动振幅放大。 从研究的深度、广度以及实际应用效果来看，曰本在超声振 动方面处于国际领先地位。日本是最早从事超声加工技术研究的 国家，日本在甲府设立了专门的振动切削研究所，许多大学和科 研机构也设有这个研究课题。8 0 年代处，日本对振动切削等方 面的研究已相当深入且已应用于生产。日本研究超声振动加工最 主要的代表人是宇都宫大学的限部淳郎教授，他的代表作精 密加工一振动切削基础及应用在国际上影响很大，对各国机械 制造领域超声振动加工的研究与推广起到了巨大的促进作用。日 本研究人员不仅把超声加工应用于车、刨、铣、钻、磨削、螺纹 塑堕奎望查兰婴壅兰兰堡丝兰_一 加工、齿轮加工、研磨、珩磨、锯切、挤压等冷热加工领域，并 取得了意想不到的效果与显著的经济效益，而且在精密机床、数 控机床中也引入超声振动系统，并且研究将超声加工引入超精密 加工机床。超声加工技术在日本已获得近万项专利，并在生产中 得到了推广。 6 0 年代初，美国开始了超声加工的研究工作。由于当时超 声加工技术还很不成熟，包括声振系统、换能器、发生器的设计 制造都较差，美国的研究工作曾经停顿了1 0 年。7 0 年代中期， 美国在超声钻中心孔、光整加工、拉管和焊接等方丽，已处于生 产应用阶段，通用超声振动切削系统己供工业应用，目前已实现 部分标准化。德国和英国也对超声加工的机理和工业应用进行 了大量的研究工作，并发表了许多有价值的论文，在生产中也得 至0 了广泛的应用。我国超声加工的研究始于5 0 年代末，但由于 当时超声发生器、换能器声振系统很不成熟，缺乏合理的组织和 持续的研究工作，很快就冷下来，6 0 年代末，哈尔滨工业大学 应用超声车削加工了一批飞机上的铝制细长轴，取得良好的效 果。然而，此项技术直到七十年代末期才重新受到重视。1 9 7 6 年以后，我国再次开展超声加工的试验研究和理论探讨工作。吉 林工业大学、广西大学及甘肃光学仪器厂等单位，率先进行超声 车削设备和试验研究。八十年代初，中国科学院声学所及上海超 声波仪器厂研制成功了超声拉管设备，为我国超声加工在金属塑 性加工中的应用填补了空白。1 9 8 5 年，机械电子工业部第1 1 研 究所研制成功超声旋转加工机，在玻璃、陶瓷、yag 激光晶体 等硬脆材料的钻孔、套料、端铣、螺纹加工中，取得了优异的工 艺效果。兵器工业第五二研究所在“七五”末期开始进行超声振 动车削陶瓷材料的试验研究，并在超声振动车削消除陶瓷材料加 工表面微裂纹方面进行了大量工艺参数和加工工艺的研究，7 并取 得了重大的成果。“八五”期间，开始了超声振动内圆磨削陶瓷 材料的研究，把超声振动加工技术应用于陶瓷等硬脆材料的精密 加工中，并取得了优异的工艺效果，解决了陶瓷材料在普通磨削 中出现加工缺陷的难题，对提高陶瓷零件质量，保证陶瓷材料的 性能，提高陶瓷等硬脆材料的制造技术水平有重要意义，随着超 两南变通 = 学研究生学位论史 声加工设备的不断完善和理论研究的不断深入，超声加工技术必 将得到更为广泛的应用。 1 5 题目的选定 i 5 1 研究目的 陶瓷材料硬而脆，与金属相比，使用范围一直受到限制，其 主要原因是加工困难和加工表面有残留微裂纹。因此，陶瓷部件 的加工费用远比金属昂贵，一般要占生产成本的5 0 甚至7 5 f 2 9 ，而且，由于加工表面存在加工缺陷，从而使陶瓷材料强度 下降，这些都影响陶瓷材料的应用。 目前，陶瓷材料的制作是经过原料粉末成形，烧结，而后经 过机械加工而成为产品。尽管现在已经发展了多种净制品尺寸成 型方法，减少了加工余量，但陶瓷材料在烧结过程中收缩，零件 的精度和尺寸不可避免地要发生改变，对于尺寸精度要求较高的 零件，必须要经过磨削、研磨、抛光等精加工过程，要避免加工 是不可能的。因此，唯一的途径就是改进加工技术。 现在陶瓷材料的机械加工一般采用金刚石砂轮磨削或研磨 的加工方法。这种方法的陶瓷材料去除率很低，加工效率低，加 工成本很高，而且加工表面粗糙度较高，存在麻坑、微小破碎和 微裂纹等加工缺陷。这些加工缺陷对于产品的强度影响极大，其 强度有可能降低5 0 以上i ”】，这就大大降低陶瓷材料的使用可 靠性。随着陶瓷材料烧结等成型r 艺的提高，材料本身的缺陷减 少，其加工表面质量将是决定陶瓷产品机械强度的关键因素。 为消除陶瓷加工表面的缺陷，提高陶瓷材料加工的表面质 量，保证陶瓷材料的强度，必须改进陶瓷加工技术，同时，研究 陶瓷等硬脆材料的切削机理。陶瓷材料的去除过程是裂纹形成、 扩展和崩落的脆性破坏过程。切削过程中大规模破坏和小规模破 坏交替进行，使材料被去除。本研究所采用的超声波振动磨削是 磨头以高速旋转的同时，磨头上附加每秒2 万次以上频率的纵向 振动，这种加工方式“微分化”了磨粒的磨削长度，达到了减小 及消除加工缺陷的效果。因此，本文的研究目的是根据陶瓷脆性 材料的切屑形成特点，以及材料的去除过程，并结合超声振动磨 西南交j 砸人学研究生学位论文 削工艺的加工特点，研究确定可消除加工表面缺陷的磨削条件， 从而探讨超声振动磨削消除加工表面缺陷的机理。 i 5 2 研究意义 目前，陶瓷材料的加工大多数采用金刚石进行磨削加工，金 刚石砂轮磨削陶瓷既是陶瓷加工方面引入注目的一个方向，也是 磨削加工领域的一个新方向。pj 】而用金剐石砂轮磨削陶瓷材料需 要商精密的机床，机床刚度要求高。国内以及国外发达国家加工 陶瓷材料所用的精密加工机床，都是为加工本世纪产生的常规塑 性材料而设计的。而钢及有色金属等塑性材料的切削加工机理完 全不同于陶瓷等硬脆材料，用于加工塑性材料的机床在加工陶瓷 等硬瞧材料时会产生颤振、抗刀等不利的情况。用这些机床进行 金刚石砂轮磨削后，还需要经过研磨、抛光等精加工过程，因此， 加工工序复杂、加工成本高，磨削效率低，更重要的是在磨削加 工表面有微小破碎、麻坑和微裂纹等缺陷，这些缺陷是材料破坏 的起点，导致陶瓷材料的强度大大下降，严重影响陶瓷零件的使 用性能。为此，日本、美国、西德等陶瓷材料发展迅速的西方发 达国家，开始开发先进、精密、刚度高的机床，从事陶瓷材料的 精密加工和研究，以便研究出生产成本低廉且又能保持部件性能 不变的陶瓷精密加工的工艺技术。国内的天津大学、北京理工大 学、山东工业大学筹院校，也在进行用金刚石砂轮加工陶瓷材料 的试验研究。但国内外利用超声振动的方法，精密磨削陶瓷材料 的研究报道甚少，对于陶瓷在超声振动冲击下，裂纹产生及扩 展，切屑在加工表面上剥离方式，以及裂纹在加工表面残留状况 都尚未开展研究。而这些研究将为陶瓷超声振动加工工艺的制 定，以及有效消除表面残留裂纹提供必要的依据，也为陶瓷精密 加工提供一定的研究思路，为陶瓷材料在国防领域的可靠使用提 供可行的技术保证； 本论文题目为超声振动磨削消除陶瓷加工表面缺陷的机理 研究 1 5 3 研究内容 ( 1 ) 陶瓷材料大都是离子键和共价键化合物组成的，它们的本征 结构决定了其力学行为的基本特征。因此，选择两种典型的陶瓷 材料，以离子键为主的a l ，o 、陶瓷材料和以共价键为主的s i c 陶 瓷材料，研究它们各自在表面受到正压力后的破坏形式。 ( 2 ) 研究分析陶瓷材料在不加超声振动的普通磨削条件下陶瓷表 面的裂纹形成及扩展方式。 ( 3 ) 研究分析陶瓷材料在超声振动磨肖u 条件下，陶瓷表面的裂纹 形成及扩展方式。 ( 4 ) 采用必要的测试手段，观察加工表露的形貌及裂纹扩展情 况，分析超声振动磨削陶瓷材料可消除加工表面缺陷的机理。 两南交通人学研究生学位论义 第二章超声振动磨削陶瓷的理论基础 超声振动磨削技术是普通磨削和超声加工的复合应用技 术，其加工特点不同于普通磨削加工。超声振动磨削陶瓷材料是 利用超声加工在加工硬脆材料的独特优点1 3 3 】，因此在加工陶瓷方 面能达到普通磨削无法比拟的技术水平。因此，超声振动磨削为 陶瓷等硬脆材料的加工探索了一条新的途径。 研究超声振动磨削消除加工表面缺陷的机理，必须先研究普 通磨削陶瓷时，各种因素对产生加工缺陷的影响，以及超声振动 磨削机理，为进一步制定超声振动磨肖8 消除加工表面缺陷的工艺 提供理论依据。 21 普通磨削陶瓷的加工特点 2 1 1 普通磨削陶瓷的介绍 磨削加工虽然在本质上来说是一和切削加工，但是和普通的 切削加工相比，却有以下几点显著的特点【 】： ( 1j 刀刃的形状及分布处于随机的状态 在切削刀具上刀刃的形状是确定的，而磨削中每个磨粒的形状上 不定的，并且不保证有后角。此外，在磨具表面层上的磨粒也是 随机分布的，因此磨粒尖端不可能整齐均匀地排在一个圆周上， 磨削时各磨粒的切削深度大小不一。 f2 ) 一个磨粒的切削厚度非常薄 在磨削情况下，磨粒的切削厚度可小到数微米，由于磨削是由如 此微小切削量组成。所以可以得到高的加工表面精度和光洁度。 但由于尺寸效果的原因，这样微小的切削厚度会使单位切削力非 常大，因此磨削区温度很高，一般在1 0 0 0 1 5 0 0 叫】，因此 须大量使用冷却液。 ( 3 ) 磨削速度非常大 砂轮的圆周速度可达2 0 0 0 3 0 0 0 m p m ，约为切削加工的l o 倍。 但是这样高的切削速度会产生非常高的蘑削温度，这样高的温度 将产生许多不利的影响。 ( 4 ) 刀刃的自励作用 两南交i 击人学研究生学位论义 在由许多不规则磨粒的微小切削所组成的磨削情况下，由于磨粒 的裂开，使磨粒得以细化，磨粒从砂轮上脱落，使下层的新磨粒 显露出来，把这种作用称为自励作用。如果适当地选择磨具及磨 削条件，则在这种作用之下能经常在磨具表面上保持有锐利的磨 粒，使磨削得以继续进行。但在陶瓷的磨削中，多数采用以金刚 石磨粒制成的金刚石砂轮，因此陶瓷的加工成本较高。 用金刚石砂轮磨削陶瓷中，在降低加工成本，提高生产率和 表面性能等方面还有许多课题需要研究，尤其需要研究新的低成 本磨削加工技术【l 引。 ：1 2 普通磨削陶瓷中存在的主要问题 ( 1 ) 由于陶瓷硬度很高，在机械加工中通常希望工具的硬度为 被切削材料的4 倍以上，所以除了金刚石外其它刀具都不能切 入。硬度高同时也意味着切削刃难以切入的程度。用金刚石砂轮 磨肖0 陶瓷时，其磨削比( 磨除的毛坯量所需要的砂轮磨损量) 很小，这大大降低了加工效率。 ( 2 ) 陶瓷的断裂韧性值较低，非常脆。因此在磨削加工时，产 生很多微小裂纹和掉渣等缺陷，引起零件强度的降低，该产生裂 纹的区域叫作加工面损伤，这是陶瓷加工遇到的很难对付的问题 之一。有资料报道f 1 9 l ，如用粒度极细的砂轮进行研磨，将这一损 伤层除去，就能提高材料的强度。但用极细的砂轮磨削，一定会 大大降低陶瓷的加工效率，提高陶瓷的加工成本。 f3 ) 磨削陶瓷中，砂轮堵塞和砂轮修整是普遍存在的问题。如 瑁电镀金刚石砂轮磨削陶瓷，磨屑非常细小，在磨削过程中，就 会侵嵌在砂轮空隙中，砂轮堵塞使磨粒尖峰上粘附一层磨屑，随 着这种粘附物迅速的发展，使磨粒、结合剂以及空隙处的表面都 被粘附物包封起来。在这种情况下磨削时，其磨削条件大大恶 化，磨削温度显著升高。如果继续磨下去，磨削力增大到一定 度时，粘附物与砂粒一起脱落，露出了新的磨粒。但砂粒堵塞粘 附过程又迅速开始，重复上述过程。在这个过程中，砂粒的切削 刃几乎没有什么磨损就被磨屑包封或挤掉。这种现象在陶瓷磨削 中表现得十分明显。这不仅使昂贵的金刚石砂粒造成不必要的损 失，更重要的是造成工件表面质量严重下降。 两南交通人学研究生学位论文 2 1 3普通磨削陶瓷加工表面状态 陶瓷零件表面的加工质量直接影响到它使用的可靠性。以表 面粗糙度为代表的表面几何形貌是表面质量的一个极其重要的 方面。同时，陶瓷零件表面的宏观状态对陶瓷零件的美观和使用 可靠性的影响更大。表2 1 是陶瓷普通磨削后，用肉眼直接观察， 表面可能的缺陷及其产生原因。 表2 1陶瓷加工表面常见缺陷及其产生原因【4 】 缺陷种类原因 磨削表面振纹、崩块机床刚度不足，砂轮动平衡不好造成颤 振 a 材料断裂韧性僬 表面宏观裂纹b 工件装夹不当 c 砂轮选择不当，磨削用量大，磨削力 高 d 孔加工时刀具设计不当 a 材料断裂韧性低 边缘崩块b 磨削用量大 c 砂轮粒度粗，且自锐性差 普通磨削陶瓷材料后，加工表面除了存在如掉渣、崩块等宏 观缺陷外，在加工表面还可发现磨削划痕和许多残留裂纹，如图 2 1 。这些是陶瓷加工中最常见、最难解决的问题。这会使工程 陶瓷零件的废品率上升，不利于陶瓷材料的推广应用。解决这一 问题时，一方面提高材料的断裂韧性，同时从加工角度来减少产 生加工缺陷的可能性。 西南交通人学研究生学位论直 图2 1普通磨削后表面形貌( 1 0 0 ) 2 2 超声振动磨削的特点 本研究试验所采用的超声振动磨削内圆装置是由兵器工业五 二研究所研制的，现已取得国家实用新型专利。超声磨削涉及到 机械、电子、声学等学科，属于边缘学科。因而，超声磨削装置 是机电一体化产品。 超声振动磨削是在磨削过程中，在砂轮的轴向施加超声振 动，并同时进行磨削的一种方法。其工作原理如图2 2 所示。在 超声振动磨削时，使用频率计和示波器对超声振动系统进行适当 的监测。 石砂轮 图2 2 超声振动磨削原理图 在超声振动磨削中，所施加的超声能量激励砂轮发生谐抓， 使砂轮在高速转动的同时，以超声频率冲击磨削区的动态方式对 工件进行磨削。因此，超声振动磨削不仅具有磨削技术的普遍特 点，同时，也具有普通磨削无法比拟优点。为了研究超声能量在 超声振动磨削陶瓷中所起的作用，就必须先对超声振动磨削的机 西南交通大学研究生学位论文 理进行分析。日本著名学者隈部淳一郎教授在其著作【2 4 】中仅对超 声振动车削机理进行了某些阐述。本文在此基础上，结合磨削的 特点对超声振动磨削进行分析。 2 2 1 超声振动磨削的微分化效果 在普通磨削时，砂轮外圆表面上的磨粒是直线前进的。但对 振动磨削来说，因工件产生轴向振动，与砂粒的进给速度方向一 致，而与磨削速度方向垂直，因而对于振动磨削方向与磨削速度 方向来说，磨粒在不同位置上所切出的沟槽是相互交错的，产生 了将各磨粒的切削长度截短的现象。这相当于磨削时既有旋转运 动，又有瞬间高频往复脉冲冲击运动，这就是超声振动磨削中的 微分化效果。如果砂轮的转速为3 0 0 0r m i n ，所施加的超声振动 为2 0 电，则砂轮上的磨粒转动一圈，就发生轴向振动4 0 0 次。 因此，这使加工表面上形成了纵横交错的细微沟槽，这是超声振 动磨削区别于普通磨削的重要特征。这样可使材料以更加微小的 方式被去除。 2 2 2 超声振动磨削中的静止化效果 把磨头振动系统看成是具有弹簧和阻尼器的单自由度振动 系统，磨杆可看成一个悬臀梁。沿着磨杆轴向附加超声振动，在 一定的磨削深度下，当磨杆沿着轴向向前作进给运动时，超声冲 击力f 可分解为f ；和fr l ，如图2 3 所示。因此，超声冲击力 可对磨头产生一定的偏移。超声冲击力对工件的作用有两种情 况： ( 1 ) 当磨削深度a p 较大时，磨削抗力较大。此时，磨粒紧 压着工件，形成一种与正弦波形的切削力相重叠的切削力波形。 ( 2 ) 当磨削深度a p 较小时。磨削抗力较小。此时磨粒接 触着工件，形成脉冲状的切削力波形。 西南交通人学研究生学位论文 z 韶微 图2 3 超声振动磨削的动态位移 当切削力为 h ( t ) = h + h s i n c o t m 害+ c 妾+ 鼬：j v + 槭n 巧t d l id l ： 一惫k + 罢k 丽鬲蠢4 v 血c 一妒， 式2 1 ， ，( 1 一口2 疗：) 2 +! 玎2 珂： 。“ 式 其中：u 一在半径方向上切削力的角频率 m 一等效质量 c 一粘性阻尼系数 k 一弹簧系数 巧n 一固有角频率 c c 一临界粘性阻尼系数 v c c c 妒一日，( ，) 与位移之间的相位角 在式2 1 中，当口t d 。 1 时， = ：= ：= ：= ：= = ! = ：= = ：一。0( 1 一c o2 巧：) 2 + 4 v 2 疗2 巧： 则 一等 说明，此时磨头的位移是静态位移，不随时间变化。这样可 以看出，在超声振动条件下，磨头的偏移是不随时间变化的量。 西南交通人学研究生学位论文 这时磨削条件相对比较稳定，这种现象可称为振动磨头的静止化 效果。 2 2 3超声振动磨削中的刚性化效果分析： 当磨削深度a p 较小时，形成脉冲切削力波形。其脉冲切削 力为： 以c ，= 生t + 要以喜；s i n 等z c o s ”耐 即m 窘+ c d 讲x + k x x = 等h ，+ 要致善。i 1 一i t c 疗c o s n 何 当脉冲切削力波形发生作用，并且满足u u n 1 的条件时，其 位移x 为： 。：生堡：型! ：兰 tk 。t n j ksk 。 这种情况下的表观弹簧系数比原来的弹簧系数增大t t c 倍， 超声振动磨削情况下，t t c = 31 , 0 ，则k x = ( 3 l o ) k x 3 4 1 。这说 明超声振动条件下，磨杆的刚性有较大提高。这种现象可称为振 动磨头的刚性化效果。 在磨削陶瓷时，要想得到良好的加工质量，必须需要刚性好 又非常稳定的磨床。刚性不足会导致主轴低频振动，而主轴振动 会导致砂轮振动，这种不稳定的低频振动可使工件表面出现凹 坑、掉渣等现象，影响加工表面粗糙度，同时，也产生裂纹等缺 陷 3 0 】。因此，磨削砂轮杆刚度的提高，可减小砂轮主轴的振动， 增加主轴刚性，可避免因低频振动而产生的细小裂纹。【4 2 】 2 2 4 磨粒中磨削刃锋利化效果【2 4 1 砂轮中某一个磨粒的切削过程相当于一个刀具的切削刃的 切削过程。因此，本文先以一个切削刃进行研究分析。首先，在 切削过程中，切削刃与圆柱表面始终保持同样的角度，可把圆柱 面按平面分析，如图2 4 所示。 1 9 西南变通人学研究生学位论文 图2 4 切削刃的运动与前角的周期变化 切削刃在半个周的切削长度为： b c 3 旁 切削刃在前进方向为： f g 目= 牙b c = 赤 式2 2 角i 为：f 2 三俘】( 者) 因此s i n e t 。= s i n2 i + c o s 2 is i n 口【2 5 】式2 3 s i n2 i s i n 口+ c o s 2 i m n 口 由上式可知，切削刃垂直方向的前角a ，由于受刀具振动而 发生角i 的影响，形成比q 角更大的有效前角( 1 1e o 。从2 2 式和 2 3 式可知，切削速度v 越低，振幅a 与振动频率f 的乘积越大， qe o 就越大。因此，在超声振动切削中，当振动方向与切削刃 的进给速度方向一致时，就会产生切削刃锋利化效果。 由于切削刃锋利化，使加工过程中的平均切削抗力大大降 低，切削区温度降低。同时，由于切削刃锋利化，切削阻力降低， 对砂轮的抗力也会降低，从而使主轴的振动减小。因此，施加轴 向超声振动后对于提高磨削系统的稳定性有重要的作用。 2 2 5 超声振动磨削中的空化效果： 超声空化是在液体中辐射高强度超声波时易于产生的一种现 象。向液体中辐射高强度超声纵波时，在液体中产生高度稠密区 和稀疏区，相应地产生正压和负压。由于正压力可将液体拉裂 开，空隙就发生了，这就是所谓超声空化现象。f 3 5 】空隙在声压 正半周时会压闭合，产生高压，这时高强度超声在磨削冷却液中 产生强烈的清洗作用，使嵌入在砂轮表面空隙中的磨屑被清洗干 净。因此，陶瓷磨屑不会嵌入砂轮，使砂轮发生堵塞。这会使在 两南交通大学研究生学位论文 磨削过程中，磨粒能保持锋利的状态，是磨削条件大大改善，使 磨削区温度大大降低，这大大减少了热应力对加工表面的影响。 2 2 6 超声应力和传递能量集中的效果 超声振动j j d t - 的净切削时间很短，频率为2 0 k t t z 的超声振动 磨削中，一个振动周期所用的时间t 为5 1 0 巧秒，隈部淳一郎 认为，超声振动切削相对净切削时间t c t = 1 3 ，即在每个振动周 期中只有1 3 左右的时间在切削，这使得脉冲切削力集中在刀具 局部很小的范围内，使材料受力影响范围很小，材料原始晶格结 构变化小。产生的微量局部滑移，局部热使得这部分材料软化， 从而使切削加工性能得到改善。对材料破坏而言，能量大小固然 是重要因素，然而能量对时间的作用梯度在某种意义上更重要。 子弹穿过玻璃就是这类问题，子弹速度低时，玻璃出现裂纹；子 弹速度很高时，不出现裂纹。这是能量来不及传递耗散、能量集 中瞬间作用的结果。在超声振动磨削中，正是由于砂轮在5 1 0 辱 秒内冲击材料，才会减小裂纹的产生。 两南交通人学研究生学位论文 第三章试验方案设计及试验结果 陶瓷材料的去除过程与陶瓷加工的工艺参数、受力状态密切 相关。因此，在分析国内外对陶瓷压痕断裂力学的基础上，提出 了在陶瓷表面进行压痕实验的方案，用来研究陶瓷材料在静态载 荷作用下，产生裂纹和缺陷的情况。利用正交实验的方法，确定 振动磨削陶瓷中，对加工表面影响最大的因素。在此基础上分别 改变不同的工艺参数，考察其对加工表面质量的影响。同时，研 究不同磨削深度对加工表面的影响，并进行表面形貌的测试。 3 1陶瓷的压痕试验及结果 采用金刚石砂轮磨削陶瓷的加工过程可以看成是无数个磨 料颗粒对陶瓷表面的压入、划擦和刮刻。因此，研究陶瓷表面在 静态接触载荷下表面损伤的压痕断裂力学是研究陶瓷材料去除 机理的基础。 陶瓷材料在接触载荷( 压头) 作用下的接触损伤很复杂，它 和材料一系列力学性能( 硬度、断裂韧性、弹性常数) 、材料表 面的原始状态、加载形式等因素密切相关。 本文分别选用s i c 和a l ，o ，两种陶瓷材料。在德国z w i c k & c o k g 公司的z 3 2 3 型维氏硬度仪进行压痕试验，分别在两试样 上进行不同的加载试验。所加载荷分别为l k g 、5 k g 、1 0 k g ，然 后在a 2 0 0 型洛氏硬度仪上分别加载6 0 k g ，得出陶瓷材料在大 载荷下的结果。然后对不同载荷下，陶瓷材料s i c 和a 1 ，0 ，材料 的表面形