影响航天用硬脆材料加工工具磨损因素分析.doc

航天用特殊材料加工技术课程大作业题 目：_影响航天用硬脆材料加工工具磨损因素分析_姓 名：_ _学 号：_授课教师：_ _得分哈尔滨工业大学航空宇航制造系2012年11月 日一、 引言航天用硬脆非金属材料系指工程陶瓷、石英以及蓝宝石材料。其中工程陶瓷广泛应用于各工业领域，随着新技术的兴起和发展，原料粒度不断细化，增韧补强措施层出不穷，以及制备工艺的不断进步，工程陶瓷材料的性能日益完善和提高。这使其成为一种新型的机械工程材料而愈益引起重视。目前，工程陶瓷材料已用于电子、宇航、汽车、切削工具、冶金、化工等各部门，并不断向新的领域发展。陶瓷是由共价键、离子键或两者混合的化学键结合的物质，呈现出与金属不同的性质，在常温下对剪切应力的变形阻力很大，且硬度很高。由于陶瓷晶体是由阳离子和阴离子或阴离子和阴离子之间的化学键结合而成的，化学键具有方向性，原子堆积密度低，原子间距离大，使陶瓷显示出很大的脆性，而成为难加工材料，特别是加工高精度、形状复杂的构件非常困难，导致精加工的费用增大，严重阻碍了工程陶瓷材料的推广应用。对于工程陶瓷传统的机械加工方式包括车削加工、钻削加工、磨削加工、研磨和抛光加工。然而由于陶瓷独特的性能特点，加工过程中刀具的磨损也是相当明显。在此我们对影响航天用硬脆材料加工工具磨损的因素进行分析。二、 影响航天用硬脆材料加工工具磨损的因素1. 工具从书表6.6可以看出，金刚石刀具和CBN刀具完全有可能切削陶瓷，但CBN切削陶瓷的试验结果尚不理想，故只介绍金刚石刀具的试验情况。下图是不同刀具切削低纯度氧化铝陶瓷时刀具磨损曲线图。可以看出，刀具硬度越高磨损情况越小。因为金刚石工具的磨损对工件的加工质量和加工过程的影响很大，工具的磨损性能是反映工具性能、工艺参数是否合理的一个重要指标。所以对金刚石工具磨损机理的研究对指导金刚石工具的合理制造和工艺参数的合理选择具有重要意义。所以要分析硬脆材料对金刚石刀具磨损的影响，首先要明白金刚石刀具的磨损机理。根据对金刚石工具磨损机理的研究，可以总结出加工过程中金刚石工具磨损机理有如下几个方面。金刚石刀具磨损的三个阶段金刚石工具的磨损由三个阶段组成: 初始的快速磨损阶段( 也称过渡阶段) 、磨损率约为常数的稳定磨损阶段以及随后的加速磨损阶段。加速磨损阶段表明工具不能继续工作, 需要重新修整。 切削低纯度氧化铝陶瓷时各种刀具的磨损曲线图 金刚石工具磨损机理金刚石工具的磨损机理大致有以下几种：摩擦磨损、磨粒破碎、结合剂破碎、磨蚀磨损、表面疲劳和冲击等，摩擦磨损使磨粒磨钝和磨平，结合剂破碎使磨粒脱落，磨蚀磨损由于减弱了结合剂强度而促进了磨粒脱落。不同的加工过程其磨损机理是有区别的，如：用金刚石砂轮微进给磨削结构陶瓷时，金刚石砂轮的磨损主要有三种形式：摩擦磨损、磨粒破碎和结合剂破碎。2. 材料不同的工件材料, 其断裂韧性、硬度等均相差较大, 所以工件材料的性质也影响金刚石工具的磨损，见下图。根据书中表6.4可知Si3N4陶瓷的断裂韧性约为Al2O3陶瓷的1.5倍，硬度相差不多。根据表6.5 Si3N4陶瓷与Al2O3陶瓷的导热系数相比，Al2O3陶瓷的导热性要比Si3N4陶瓷要好。根据以上分析，对照下图可以验证从上述结论的正确性。3. 加工条件影响金刚石刀具磨损情况的加工条件有：切削速度根据书中图6.16，车削Al2O3陶瓷时，随着切削速度的不断提高，后刀面磨损情况逐渐加重。下图是切削不同烧结温度下低纯度Al2O3陶瓷时，切削速度与刀具使用寿命曲线图。可以看出烧结温度越高Al2O3陶瓷的硬度越高，刀具的使用寿命越短，切削速度大刀具使用寿命越短。进给速度、切削深度根据书中图6.17，车削Al2O3陶瓷时背吃刀量、进给量对后刀面磨损情况的影响，可以看出，切削深度ap和进给量f越大，VB值也越大。下图是切削低纯度Al2O3陶瓷时，不同进给速度下，后刀面磨损情况曲线图，可以看出采用聚晶金刚石刀具，低进给速度时，刀具的VB值较小刀具形状根据与上述相同的理山, 当刀具的前角为负时，被切削材料的破坏规模变大，这有利于减少刀具磨损。另外, 硬脆材料儿乎不发生塑性变形, 所以不能指望像金属材料那样通过刀具后面的挤光效果来改善加工面粗糙度。因此, 只要刀具切削刃不致破损, 就应加大后角, 减少与切削加工而的接触。下图是根据以上观点改变刀具形状后的实验结果。如图所示, 若后角一定( 5。) , 改变前角，则在=-40。左右为最佳。相反, 若使前角为5。， 把后角从5。改变到15。，则可减小刀具磨损。归根结底, 当刀具的( V 标记)丫= -35。, a= 15 。时, 可得到刀具磨损最小的预期效果切削液如前所述, 用金刚石刀具干式切削具有某种强度以上的陶瓷时, 由于刀具后面局部温度的上升而刀具磨损变大。因此,用冷却性能高的切削液进行实验, 得到了不同的结果。也就是说陶瓷刀具和CBN 刀具改成湿式切削后, 磨损增大, 但烧结金刚石刀具采用湿式切削, 则可大大地减小磨损。即使改变陶瓷的材质, 这种倾向也是同样的。用金刚石刀具进行湿式切削时, 最经济,加工效率也最高。但是，由于陶瓷的材质不同, 有时会和切削液发生反应, 因此, 必须慎重地研究某种材料是否适合湿式切削以及切削液的种类。三、 结语硬脆材料作为结构材料, 特别是用于精密零件, 目前收集到的基础资料还不充分, 所以在许多方面包含有不确定因素, 尚有待于今后的深入研究。但是也应看到, 硬脆材料在许多方面已经开始实际应用, 因此, 目前是实际生产与研究同时进行着，对于航天用硬脆材料对加工工具的影响因素以及改善途径，还有待于进一步研究。参考文献：【1】 金刚石工具加工硬脆材料时的磨损及其影响因素的研究现状 孟剑锋 李剑峰