【机械类毕业论文中英文对照文献翻译】脆性固体的加工和表面处理
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机械类毕业论文中英文对照文献翻译
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附录1：外文翻译脆性固体的加工和表面处理S CHANDRASEKAR和T N FARRIS普渡大学工程学院，West Lafayette，IN 47907-1282，美国电子邮件：chandy 摘要：陶瓷材料主要通过磨削加工完成工艺如研磨，研磨和抛光。在研磨中，磨料通常在研磨轮中结合并与其接触陶瓷表面以相对高的滑动速度。在研磨和抛光，陶瓷压在抛光块上，研磨剂悬浮在抛光块中在它们之间以浆料的形式。这里的材料去除过程sembles三身穿。在所有这些过程中，机械作用的研磨剂可以认为是重复应用相对尖锐滑动压印陶瓷表面。在这些条件下，少数的机制主导材料去除过程。这些是脆脆的由于裂纹系统定向为平行（横向）和垂直（径向/中间）到自由表面，延性切削形成薄带状芯片，以及在反应物存在下的化学辅助磨损其通过机械作用（摩擦化学反应）增强。关系每个这些机制的作用在一个特定的整理过程中可以与施加到磨料颗粒的载荷，滑动速度有关颗粒，以及化学反应物的存在。这些磨损机构也导致以微裂纹形式损坏陶瓷表面附近的残余物应力，塑性变形和表面粗糙度共同决定强度和成品的性能。一个完整的理解导致材料去除的磨损机构的允许允许设计用于生产高陶瓷表面的高效加工工艺质量。关键词陶瓷表面; 磨削加工工艺; 表面处理; 磨损机制。1.介绍对可靠的元件制造的先进陶瓷材料的开发。的这些材料的使用在1990年达到约每年140亿美元的销售额并继续下去以每年4的速度增长（Jahanmir等1992）。先进的优点陶瓷与其它材料的组合包括在高温下的高硬度和强度，化学稳定性，低摩擦和高耐磨性。但是，那些属性赋予陶瓷优异的耐磨性也使其难以加工。此外，这些陶瓷的有限延展性使得形成方法依赖于广泛塑性变形仅用于处于生坯状态的陶瓷。因此，广泛的加工是制造具有高质量表面的复杂形状所需要的。加工成本可以高达制造部件成本的80。详细了解陶瓷加工的磨损机理它们留下的损伤应该允许更经济的制造可靠高级陶瓷元件。最近的作者回顾了包括Braza在内的陶瓷磨损的几个方面等人（1989）概述了其与接触疲劳的关系，Larsen-Basse（1994）比较和对比了陶瓷的磨损与已知的关于胶结的碳化物和金属陶瓷，以及JahanmirDong（1994），他们给出了磨损图相关接触压力和温度的制度。 以下评论机械与加工相关的磨损方面。2材料去除过程虽然车削和铣削广泛用于金属的加工，但是由于快速刀具磨损和大量表面，它们对于完全致密陶瓷不是有效的损伤。金刚石车削可用于加工生坯状态的陶瓷，但可以加工完成在致密陶瓷上仍需要加工。因此，陶瓷的表面精加工主要通过磨料精加工，例如金刚石研磨，研磨，和抛光。这些过程需要满足严格的公差和表面结构和电子陶瓷的完成要求（例如0.05m rms的磁性记录头，硅晶片，面密封件和轴承）。研磨过程去除材料机械地并且在陶瓷的表面上引入损伤（Marshall et al1983）。这种损坏通常以残余应力和裂纹的形式存在主要影响机械性能和加工陶瓷表面的完整性。此外，塑性变形和随后由表面引起的残余应力精加工改变电磁性能，例如磁导率，电阻率和折射率电子陶瓷表面的指数（Stokes 1972）引起它们的劣化性能在电子设备。通常，研磨中的材料去除速率（MRR）高于MRR in研磨和抛光。 在初始粗磨操作中的较高MRR导致表面损伤以微裂缝的形式，可能延伸到100 im深表面。 粗磨后依次是细磨，研磨和抛光这种损坏被不同程度地消除。 此外，研磨和抛光操作也可能以残余应力的形式在表面上留下损伤和严重塑性变形层。陶瓷的研磨主要由含有金刚石磨料的砂轮完成（Subramanian 1988）。钻石被固定在车轮上相对柔顺的树脂粘结或刚化的粘结。砂粒是统计分布的在一系列尺寸范围内，平均尺寸为100 pmin的轮子被指定为粗糙和5m在车轮指定为罚款。在研磨中使用的典型工艺参数包括轮表面速度为25至50m / s，切削深度为0.5至30m，以及工作台横移速度20mm / s。这些参数导致订单的每单位车轮宽度的MRR为0.1至imm 3 / mm / s，每单位轮宽度的正常研磨力为5至100N / ram。对于给定的切削深度，磨削力通常随着磨料颗粒尺寸而增加在车轮减少。这里，切削深度是指在a中去除的材料的深度单个横过陶瓷表面的轮。但是，深度去除单个颗粒远小于此并且在其间的接触长度上变化轮和工件。接触长度为1 =（忽略车轮偏转）其中R是车轮的半径，d是切削深度;典型接触长度为范围12 mm。施加到砂轮的力产生车轮和机器偏转，使得实际的接触长度与使用几何学计算的接触长度不同（Hucker等人11994）。轮偏转是由于刚性金刚石磨料之间的局部接触颗粒（嵌入顺应性粘结）和工件以及全局偏转由于与通过的总接触力的传输相关联的应力分布车轮。活性磨料颗粒数量的确定计算，即数量实际与切削动作的颗粒以及对这些颗粒的力分布粒子仍然不可用。然而，颗粒在轮上的统计分布表面表明许多颗粒具有远远小于但小于的深度磨削深度的顺序。此外，单一的接触压力颗粒和陶瓷表面非常高并且近似等于陶瓷硬度。这与车轮 - 陶瓷上的平均压力形成对比界面从力测量估计，这是在弹性范围内。大的相对滑动速度在磨料工件处产生高温接口。 对于典型的磨削条件，红外辐射测量的峰值温度显示它们高达1300（Hebbar等人1992）。 这些值与单点研磨中的温度的测量和分析一致在类似的研磨条件下。 高研磨温度的进一步证据是提供由球磨粒存在于磨屑中同时磨削硬化钢（Lu et al 1992）。 研磨温度局限在表面附近所产生的热梯度产生热应力，这在理解研磨过程中也是重要的。磨削期间接触应力和温度的局部性质（即局部于单个磨料颗粒 - 陶瓷接触）以及与变形和应力在加工表面，强烈建议理解陶瓷研磨过程中的材料去除机制，将有助于分析滑动在切削和滑动速度的深度下由硬颗粒压印陶瓷表面发生在研磨。实际上，这种观点是下面许多讨论的基础。通过液压或机械施加的压力将块装载到工件上并以低速旋转。颗粒滚动并滑过陶瓷表面，使得磨损类似于三体磨损，而不是磨削中的两体磨损，抛光通常在使用初始磨削产生工件形状之后进行;其主要目的是产生光滑的表面。使用硬研磨块当需要对工件的平直度有严格的公差时，抛光产生更光滑的表面，因为许多磨料颗粒嵌入在软的研磨块。金刚石颗粒广泛使用，但是较软的磨料如Al 2 O 3，SiC和氧化铈也被广泛使用。如在研磨中，颗粒是统计学上的分布在尺寸范围内，平均粒度范围为0.05-70m。在研磨和抛光中磨料和陶瓷之间的平均滑动速度为0.5m / s或更小的量级，比研磨中的量级小两个数量级。与研磨相反，滑动诱导温度被认为是微不足道的研磨和抛光。单个磨料颗粒上的力随总力变化应用于作为过程变量的块或垫。通常，表面粗糙度（Ra）的成品表面随着研磨压力的增加而增加。典型去除速率在研磨和抛光的范围为0.001-1mm 3 / s，这小于观察到的研磨宽度为5mm的典型砂轮。较小的MRR建议与研磨相比，由研磨和抛光留在表面上的损伤更少。如在研磨中，材料去除可以被视为由于滑动压痕滑动的颗粒，以及由于滚动的颗粒的准静态压痕。这个理想化与重叠和抛光表面的显微观察一致，和由这些方法形成的磨损颗粒（Chauhan等人1993）。最近，在研磨基础上研究磨粒力的分布模型已经开发了颗粒的统计尺寸分布（Chauhan等人11993）。在那里纸，通过假设计算粒子工件接触所需的柔量与具有锥形压头的压痕相同。一个有趣的结果从计算中可以看出，大约只有1个105颗粒被有效地接合在给定时间的材料去除。此外，通过假设表面粗糙度成品表面与由颗粒产生的塑性区域的深度有关表面粗糙度可以从磨料颗粒的性质预测工件和研磨压力。发现平均表面粗糙度Ra是相关的平均粒子力，而峰 - 谷表面粗糙度Rt与之相关由颗粒施加的最大力。在大多数情况下，这种模型的预测是与Al203的研磨和抛光的实验观察结果非常一致，钠钙玻璃和使用不同粒度的SiC研磨浆料的Ni-Zn铁氧体。由于困难，部分地没有进行类似的计算用于研磨与砂轮的表面轮廓的测量和缺少相关联表征轮表面上的颗粒尺寸的统计分布。3材料去除机制表面和加工屑。这种显微镜观察已经显示材料去除作为以下一种或多种的结果发生：侧向裂纹断裂打开到表面上;由于谷物拉出造成的总断裂;中间/径向裂纹相互交叉;和塑料微切割通过形成芯片单点车削金属。这些观察结果也已经通过电子显微镜研究了通过机械加工形成的芯片和磨损颗粒来确认。优势的给定机制与由单独的磨料施加的载荷密切相关陶瓷表面。通常，当外部施加的载荷传递时由磨料小，塑性微切或压痕（有向上位移的材料周围的缩进）机制被发现支配。这是特别的当在低负荷和/或用柔性，柔软的抛光布（抛光块）或在所谓的“延性体系”研磨方式。这些模式产生的表面的材料去除/位移的特征在于它们的极端光滑度。而且，材料去除的塑性微切割作用导致形成甚至在加工诸如玻璃，铁氧体或MgO的脆性固体时也可以形成薄带状层。图1示出了在钠钙玻璃的抛光期间形成的这种芯片。加工陶瓷如Ni-Zn铁氧体，钠钙玻璃，Si3N4和氧化锆的表面通过这种去除的塑性机制包含大约20-50MPa的残余应力（Chandrasekar等1991）。此外，在地面上的位错蚀刻点蚀实验并且抛光的单晶MgO块显示存在强烈变形表面层具有高位错密度。这两个观察结果 图1 来自钠 - 钙玻璃的SEM微雕刻带状抛光芯片。加强了塑料微切割机制的材料去除以及形成的假设微凹痕和塑料刮痕。名义上的脆性固体中的塑料材料去除机制无疑是大的结果在陶瓷表面下方的小体积中产生的静水应力磨料颗粒。脆性固体的加工和表面精加工477脆性断裂。通过脆性断裂的材料去除的最常见的模式是由于侧向裂纹向表面开裂，颗粒拉出或破碎型材料去除。再次，这些结论是从显微镜观察到的机加工表面和磨损颗粒。为了更好地理解这些机制，以及它们背后的驱动力是值得分析一个减少的陶瓷加工模型。这是提供通过滑动压痕工艺，其需要单个磨料颗粒滑过的陶瓷工件。这种配置已经在文献中广泛研究（Broese van Groenou等人1979; Swain 1979; Evans and Marshall 1981; Cheng和Finnie1990; Ahn等人1993）。这个实验的示意图和得到的裂纹模式是如Ahn等人（1993）所总结的，实验结果被描述不同的力方案，其中出现图2所示的各种裂纹模式。对于一个维氏压头在钠钙玻璃上滑动，结果总结如下。在小于0.05N的正常载荷下，没有观察到裂纹，但是形成凹槽表明局部塑性变形。在某些情况下形成这种凹槽是通过塑料切割机构去除材料的结果，其产生类似于图1所示的芯片。在其他情况下，凹槽仅仅是滑动凹槽，即凹槽内的材料主要移动到凹槽的侧面。在后一种情况是没有材料去除，而只是塑料压痕。在力量范围为0.05-0.8N，观察到垂直于表面的中间裂纹。深度的中间裂纹随法向力增加。在0.8-3N的范围内，中值开裂是伴随着平行于表面的横向裂纹。在负载较高部分图2.滑动压痕和导致断裂的示意图。这个范围，侧向裂纹穿透到表面导致材料去除。还在更高的载荷，例如3-6N，在刮擦槽中存在相当大的颗粒破碎，以及中值裂纹。应力分析，使用滑动近似局部非弹性变形吸塑领域已由Ahn等人完成（1993）。这是通过扩展获得的由Yoffe（1982）提出的静态压痕的泡罩场模型。在这个模型中通过测量将泡罩区域的强度作为压痕载荷的函数进行评估刮痕槽的体积（图2）。未开裂的拉伸应力的值Ahn等人（1993）报道了在不同系统的位置处的固体。压力将发现侧向裂纹对于低负载是小的并且等于中间值在通常观察到发生横向裂纹的负载附近的裂纹驱动应力。那滑动气泡模型准确地预测实验观察到的临界负载用于钠钙玻璃中的侧向裂纹形成。到目前为止，一个完整的应力分析不存在脆性材料的滑动压痕。在这里必须注意的是，滑动压痕强制在结果中总结都在研磨和抛光期间施加到磨料的力的范围内。的早先描述的研磨力计算产生平均颗粒力在0.03-0.6 N，用于在典型条件下研磨和抛光玻璃，铁氧体和Al 2 O 3。较小的力对应于1m的磨料颗粒尺寸，而较高的力对应粒径63m。力值中的较小者在该范围内其中在抛光期间观察到通过切割的塑料材料去除滑动压痕。较高的颗粒力在很好的条件范围内该侧向裂纹是滑动压痕中材料去除的主要机制实验。在磨削加工过程中作为工艺变量的函数的体积磨损的计算没有在任何显着的程度上进行。 EvansMarshall（1981）使用断裂力学获得作为施加力的函数的磨损体积的公式和陶瓷材料性能，基于侧向裂纹机理描述材料去除。然而，他们的预测侧裂开始的公式以及体积去除速率没有通过实验验证，例如。 Larsen-Basse（1994）。基于可操作的不同磨损机制，在陶瓷的研磨，研磨和抛光期间的这种磨损率的分析估计是一个问题值得详细研究。4结论这个对陶瓷研磨加工的最新研究的简要回顾强调了这一点两种与材料去除相关的主要磨损机制：（1）脆性断裂横向裂纹与加工表面相交，当由磨料施加负载时颗粒高，和（2）具有如单个切屑形成的延性微切削金属点加工。这些机制
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