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1、研研 究究 生生 课课 程程磨削理论与工艺磨削理论与工艺 机械与运载工程学院机械与运载工程学院2009.052009.05 硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削之College of Mechanical & Vehicle Engineering2第第第第1212章章章章 硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削12.1 工程陶瓷磨削工程陶瓷磨削12.2 玻璃的磨削玻璃的磨削12.3 石材的磨削加工石材的磨削加工College of Mechanical & Vehicle Engineering3第第12章章 硬脆材料与难
2、加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削12.1 工程陶瓷磨削工程陶瓷磨削12.1.1 工程陶瓷的种类及材料特性工程陶瓷的种类及材料特性12.1.2 工程陶瓷磨削机理工程陶瓷磨削机理12.1.3 工程陶瓷定压力磨削及定切深磨削特性工程陶瓷定压力磨削及定切深磨削特性12.1.4 加工条件对磨削特性的影响加工条件对磨削特性的影响12.1.5 工程陶瓷的镜面磨削工程陶瓷的镜面磨削12.1.6 加工表面变质层的评价加工表面变质层的评价12.1.7 工程陶瓷的复合加工工程陶瓷的复合加工12.1.8 超声波振动磨削工程陶瓷超声波振动磨削工程陶瓷College of Mechanical & Vehicle E
3、ngineering4第第12章章 硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削12.1.1 工程陶瓷的种类及材料特性工程陶瓷的种类及材料特性工工程程陶陶瓷瓷是是三三大大工工程程结结构构材材料料之之一一。它它具具有有高高硬硬度度、耐耐热热性性、耐耐腐腐蚀蚀性性、耐耐磨磨性性、重重量量轻轻、脆脆性性大大的的特特点点。陶陶瓷瓷种种类类繁繁多多；工工程程陶陶瓷瓷分分氧氧化化铝铝系系、氧氧化化锆锆系系、氮氮化化硅硅系系、碳碳化化硅硅系系。常用工程陶瓷材料特性示于表常用工程陶瓷材料特性示于表12-1。工工程程陶陶瓷瓷的的结结晶晶体体是是由由共共价价键键、离离子子键键或或两两者者混混合合组组成成。Si
4、3N4、SiC中中主主要要是是共共价价键键， Al2O3、 ZrO2主主要要是是离离子子键键。共共价价键键强强的的陶陶瓷瓷塑塑性性好好，即即使使是是在在高高温温下下其其破破坏坏韧韧性性也也不不降降低低。离离子子键键结结合合的的陶陶瓷瓷，其其破破坏坏强强度度依依赖赖于于温温度度的的高高低低。共共价价键键的的方方向向性性使使晶晶体体拥拥有有较较高高的的抗抗晶晶格格畸畸变变和和阻阻碍碍位位错错发发展展的的能能力力，陶瓷呈现高的硬度和弹性模量。陶瓷呈现高的硬度和弹性模量。 College of Mechanical & Vehicle Engineering5第第12章章 硬脆材料与难加工材料磨削硬脆
5、材料与难加工材料磨削12.1.1 工程陶瓷的种类及材料特性工程陶瓷的种类及材料特性College of Mechanical & Vehicle Engineering6第第12章章 硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削12.1.1 工程陶瓷的种类及材料特性工程陶瓷的种类及材料特性破坏韧性是抗龟裂进展的抵抗值，陶瓷破坏韧性值越大，抗龟裂的能力越强。破坏韧性值小的容易产生破碎。 SiC及 Al2O3的破坏韧性小，在磨削加工中容易产生龟裂破碎破损。 ZrO2的韧性值最大，磨削容易形成塑性流动型的破损。 Si3N4是介在SiC与ZrO2之间，磨削时产生龟裂破损与塑性流动破损混合形式。Co
6、llege of Mechanical & Vehicle Engineering第第第第1212章章章章 硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削1.2 工程陶瓷磨削机理为获得最优的磨削参数，需要掌握基本的磨削机理和磨削参数对工件表面损伤及机械性能的影响。多年来对陶瓷磨削机理的研究，绝大多数的研究集中在压痕断裂力学模型与切削模型近似。在压痕断裂力学模型近似中磨粒与工件相互作用的模型是建立在理想化的裂纹系统和由压头所产生的变形的基础上的。切削模型近似则包括单刃和多刃切削力的测量，以及对磨屑的显微观察及对表面地貌的显微观察。这两种模型的建立
7、都为研究陶瓷磨削机理提供了重要依据。 College of Mechanical & Vehicle Engineering第第第第1212章章章章 硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削1.2 工程陶瓷磨削机理工程陶瓷磨削机理1.压痕断裂力学模型压痕断裂力学模型近似是把陶瓷磨削中的磨粒与工件的相互作用看作小规模的压痕现象。在断裂力学中维氏四面体压头获得的变形和断裂图形如图12-1所示。在压头正下方是塑性变形区，从塑性区开始形成两个主要的裂纹系统，即中央 径向裂纹和横向裂纹。中央 径向裂纹通常导致材料强度降低，横向裂纹引起材料的去除。这
8、种模型已从静载荷扩展为切向载荷 （移动压头）的情况。College of Mechanical & Vehicle Engineering第第第第1212章章章章 硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削1.2 工程陶瓷磨削机理工程陶瓷磨削机理a.定点压头作用下的中央/径向裂纹中央 径向裂纹的大小是使用解决表面点载荷弹性应力场的布欣尼奇 （Cpvttjoftr）方法预测的。中央裂纹的扩展分解为弹性部分和不可逆 （残余）部分。弹性部分产生中央裂纹并使其在加载中向下扩展，而残余部分是在压头回撤后使裂纹继续扩展。通过建立压头下由弹性基体包围的扩
9、展塑性区压痕模型，可获得由尖端四面体压头加载卸载后的稳定裂纹大小C与加载力P的关系为H材料硬度； E 材料弹性模量；Kc 材料断裂韧性； 压头相对棱边的夹角； 常数。College of Mechanical & Vehicle Engineering第第第第1212章章章章 硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削1.2 工程陶瓷磨削机理工程陶瓷磨削机理a.定点压头作用下的中央/径向裂纹上式所表达的关系只适用于所加载荷大于使材料产生中央裂纹的临界状况。临界载荷P*为 、是常数。残余部分的残余应力是裂纹扩展的主要原因。残余应力的应力强度系
10、数 K为X为常数，V1为压痕体积，V为塑性区体积。College of Mechanical & Vehicle Engineering第第第第1212章章章章 硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削1.2 工程陶瓷磨削机理工程陶瓷磨削机理a.定点压头作用下的中央/径向裂纹球面压头载荷与裂纹长度的关系为上两式分别预测了四面体压头时P与C的比例关系及球面体压头时P与C的比例关系。材料强度的降低通常是由中央 径向裂纹和残余应力的扩展作用引起的。靠近接触表面的残余压应力在次表面弹 塑性边界突然跃迁为拉应力，达到0.10.5H （硬度）。研究表
11、明由压痕引起的残余应力将使材料强度降低约30%。College of Mechanical & Vehicle Engineering第第第第1212章章章章 硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削1.2 工程陶瓷磨削机理工程陶瓷磨削机理a.定点压头作用下的中央/径向裂纹根据断裂力学理论和综合考虑载荷对裂纹大小的影响与产生压痕后法向作用力对强度的影响，即可得到在四面体压头作用下的断裂强度f：式中Y是一个与裂纹几何形状和方向有关的常数College of Mechanical & Vehicle Engineering第第第第1212章章
12、章章 硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削1.2 工程陶瓷磨削机理工程陶瓷磨削机理a.定点压头作用下的中央/径向裂纹根据断裂力学理论和综合考虑载荷对裂纹大小的影响与产生压痕后法向作用力对强度的影响，即可得到在球面体压头作用下的断裂强度f：式中磨削后由中央裂纹引起的断裂强度f可由下式估算：Fn是与作用于压痕载荷P 类似的每个磨粒的法向磨削力。m为指数，锋锐砂轮指数 m=0.21，磨钝砂轮指数 m=0.32。College of Mechanical & Vehicle Engineering第第第第1212章章章章 硬脆材料与难加工材料
13、磨削硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削1.2 工程陶瓷磨削机理工程陶瓷磨削机理b.移动压头作用下的中央/径向裂纹在磨削过程中一个有效磨粒不仅承受定点压痕那样的法向载荷，还要承受运动方向上的切向载荷。由法向力Fn及切向力Ft共同作用于材料表面某点所产生的弹性应力场，可用米切尔 （Njdifmm）方法建立模型如下：和为勒穆弹性常数；极坐标。College of Mechanical & Vehicle Engineering第第第第1212章章章章 硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削1.2 工程陶瓷
14、磨削机理工程陶瓷磨削机理c.横向断裂和破碎横向裂纹在卸载时产生于靠近塑性区底部，并在与工件表面几乎平行的面上扩展，裂纹向自由表面的偏移导致材料的断裂去除，即形成切屑。横向裂纹长度Cc可用简单的样板原理建立模型。用h表示工件表面到裂纹的距离，且CCh时，则裂纹大小CL为式中，2、L、A均为常数。对于大接触载荷（PP0）时，这与中央/径向裂纹很相似。College of Mechanical & Vehicle Engineering第第第第1212章章章章 硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削1.2 工程陶瓷磨削机理工程陶瓷磨削机理c.
15、横向断裂和破碎产生横向裂纹的最小临界载荷PL*为将PL*值与单磨粒平均载荷相比较，可用来预测磨削过程是横向断裂过程还是塑性切除过程。如磨削氧化硅过程中，单粒法向载荷力要小于估算的临界载荷（约30N），这说明主要是塑性切除，而不是横向断裂。而预算的中央裂纹临界载荷 （Si3N4是3N）要比横向裂纹小得多，这说明塑性磨削可以产生中央裂纹和材料强度降低。College of Mechanical & Vehicle Engineering第第第第1212章章章章 硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削1.2 工程陶瓷磨削机理工程陶瓷磨削机理c
16、.横向断裂和破碎由于横向裂纹引起材料去除，常用它的大小来估算磨耗比。假设在图12-2中法向载荷P作用下单颗磨粒的去除体积与横向裂纹大小及接触长度L成比例，则总的体积去除量VL为除横向裂纹外，材料去除还与破碎有关。磨粒前端和其下面的材料破碎是表面圆周应力和剪切应力分布引起的各种形式破坏的结果。关于陶瓷材料破碎的产生原因，有的研究解释为破碎是由弹性张力超过临界值以前存在着分散的裂纹引起的。还有的认为破碎是由运动压头下连续的裂纹分支引起的。这种模型成功地预测了玻璃的单刃磨削的破碎深度，但对Si3N4 陶瓷磨削的破碎深度的预测值却偏大。这与纯弹性应力场的假设有关。而实际上材料局部塑性变形对Si3N4的
17、影响很大，则导致应力强度和破碎深度的降低。College of Mechanical & Vehicle Engineering第第第第1212章章章章 硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削1.2 工程陶瓷磨削机理工程陶瓷磨削机理2.切削模型近似切削模型近似是包括切削力测量、磨屑形貌及加工表面形貌研究在内的普通磨削机理研究方法。磨削力测量所获得基本参数是单位磨削能，即去除单位体积材料的磨削能。任何磨粒与工件相互作用的关系机理都和单位磨削能数值一致，它取决于切削工艺参数。College of Mechanical & Vehicle E
18、ngineering第第第第1212章章章章 硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削a.磨削对各种脆性材料磨屑的观察都说明陶瓷材料的去除主要是脆性断裂的结果b.划痕与磨削表面的显微观察Si3N4、Al2O3陶瓷的刻划实验显示了沿沟痕的塑性变形、横向断裂和破裂铲除现象、刀头下前方的破碎现象。当在磨削表面上观察到单个划痕形成主要与塑性变形有关时，这可能与前面描述的断裂引起材料去除的结果相矛盾。然而需要注意的是，磨削后遗留在表面的沟痕只相当于单一切削中最浅的部分。而且在100。C、49%浓度的氟化氢溶液中浸蚀i后，绝大多数的变形条痕被去掉，这
19、说明多数的变形表面层由玻璃 （非晶体）材料组成。c.塑性流动引起的材料去除压痕断裂力学指出了在其之下不会出现横向断裂的临界载荷力的存在。因此在临界载荷以下，塑性磨削方式是普遍存在的。塑性状态下的磨削样件在强度上都有所提高，表面粗糙度值有所降低。使用装有超精密进给控制的特殊平面磨床来系统地研究塑性状态下的磨削，得到与单颗磨粒上临界断裂载荷相对应的临界切深bd可表示为：College of Mechanical & Vehicle Engineering第第第第1212章章章章 硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削塑性磨削可以提高表面质量
20、，但效率低，经济性差。一种提高塑性变形以获得较高去除比的可能方法是提高砂轮速度。提高砂轮速度能降低切屑厚度，从而降低每磨粒磨削力，增加塑性变形，减少强度损失。砂轮速度越高，每粒法向磨削力，越降低。当然塑性变形的比例还与磨削温度有关。普遍认为温度的增高会降低工件质量，然而当磨削热压氮化硅陶瓷的温度达到800。C时，工件强度却有所提高。这是由于玻璃质状态使裂纹钝化的缘故。因此，表面破裂比的降低和塑性的明显增加与磨削温度升高时产生的玻璃质状态有关。使用移动热源理论，最大的磨削区温度增加值可计算如下：式中，Fm是单位宽度磨削力，是磨削力对工件的分配系数，K是导热系数,是密度，c是工件的比热容，a是切深
21、，ds是当量直径。因此在更高的磨削温度时，破裂百分比的降低也可以减小强度损失。College of Mechanical & Vehicle Engineering第第第第1212章章章章 硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削(d).磨削能由磨削力和切削环境所获得的一个基本参数是单位磨削能，即每去除单位体积材料消耗的磨削能。对金属工件材料，总的单位磨削能被看作是切屑形成能，耕犁能和滑移能部分的总和。而对陶瓷及其他脆性材料，磨削机理与单位磨削能之间的关系需要进一步研究。切削模型近似证实了陶瓷材料的去除通常由脆性断裂形成，但大部分能量消耗
22、却与塑性变形密切相关。College of Mechanical & Vehicle Engineering第第第第1212章章章章 硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削1.3 工程陶瓷定压力磨削及定切深磨削特性工程陶瓷定压力磨削及定切深磨削特性在定压力磨削条件下，考察工程陶瓷的可磨削性，即磨削压力 （P）与磨削力 （F）、磨削能 （E）、磨削比 （G）及磨削切除率ZW之间的关系。图12-6是在恒压磨削下，各种陶瓷的磨削加工压力P与单位时间内单位宽度上的磨削切除率ZW的关系。Al2O3的切除率最高，SiC、ZrO2与Si3N4的切除率
23、均较低。由于Al2O3和SiC的破坏韧性值小，磨削时容易生成龟裂破碎型切屑，形成晶界破坏，所以磨削切除率较高。而ZrO2、 Si3N4的破坏韧性值大，抵抗龟裂进展的能力大，产生塑性流动与龟裂破碎型混合形的破损，所以切除率低。经电子显微镜观察磨削加工表面形貌，在及的磨削加工表面上明显地呈现条状磨痕，而SiC及Al2O3的磨削加工表面上没有条状磨痕，而呈现沿晶界破碎型破损。磨削切除率依赖于晶粒直径的大小， Al2O3的晶粒大，其磨削切除率高。工程陶瓷的种类、结晶晶粒大小及破坏韧性值的大小对磨削切除率、切屑生成有重要影响。College of Mechanical & Vehicle Enginee
24、ring第第第第1212章章章章 硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削1.3 工程陶瓷定压力磨削及定切深磨削特性工程陶瓷定压力磨削及定切深磨削特性在恒压磨削时，磨削时间一长，砂轮工作表面磨粒微刃产生摩擦磨损、磨粒微刃钝化、砂轮钝化、磨粒脱落和堵塞。随着磨削时间增加 （即磨削切除量增加）各种陶瓷的切除率不同。在磨削初期，由于砂轮微刃锋利，氧化铝的切除率最高，氧化锌最低，其切除率的高低顺序为Al2O3SiCSi3N4ZrO2。磨削继续进行， Si3N4的切除率下降最快，其次是SiC 。 ZrO2的切除率下降最小，几乎不发生变化。用磨削切除
25、率的变化比例可以判断工程陶瓷的可磨削性。 Si3N4最难磨削，砂轮钝化严重。College of Mechanical & Vehicle Engineering第第第第1212章章章章 硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削1.3 工程陶瓷定压力磨削及定切深磨削特性工程陶瓷定压力磨削及定切深磨削特性工程陶瓷在定切深磨削时，各种陶瓷当量磨削厚度acq与磨削力的关系如图12-7所示。式中vw为工件速度，ap为磨削深度，vs为砂轮速度。 acq增大，各种陶瓷的磨削力均增加，Si3N4的磨削力最大，Al2O3的最小。College of Me
26、chanical & Vehicle Engineering第第第第1212章章章章 硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削1.4 加工条件对磨削特性的影响加工条件对磨削特性的影响1.工件速度vw的影响工件速度的大小对磨削力Fn、Ft、砂轮半径、磨损量R、表面粗糙度Ry、累积切削残留量及磨削比G影响的关系示于图12-8。磨削比G在vw=0.4m/min时达最大值，然后随vw增加而急剧下降。 vw增加对Ft影响不大，对Fn、 Ry 、均增加。2.砂轮速度vs的影响College of Mechanical & Vehicle Engine
27、ering第第第第1212章章章章 硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削1.4 加工条件对磨削特性的影响加工条件对磨削特性的影响3.磨削深度ap的影响4.磨削比和最优磨削加工条件磨削比G是评价磨削效果的重要参数。砂轮磨削受许多因素影响，但主要因素是磨削最大切削深度apmax，磨粒切削深度pmax是从几何学的因素上考察对磨削比G的影响。College of Mechanical & Vehicle Engineering第第第第1212章章章章 硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料
28、磨削1.4 加工条件对磨削特性的影响加工条件对磨削特性的影响5.砂轮磨损与磨削比6.金刚石磨料粒度与最优磨削条件College of Mechanical & Vehicle Engineering第第第第1212章章章章 硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削1.5 工程陶瓷的镜面磨削工程陶瓷的镜面磨削工程陶瓷的镜面磨削工艺方案有三种：1.粗磨粗研精研抛光，使用游离磨粒进行加工。2.使用金刚石砂轮进行粗磨精磨精细磨镜面磨削，选用金刚石磨具的磨粒粒径依次减小，创成周期长、成本高。3.日本市田良夫等提出的 “一次走刀” 镜面磨削法”，这是
29、一种使用金刚石砂轮的高效率、高品位质量镜面磨削方法。1. 金刚石砂轮磨削镜面用6000#、 3000# 、1500# 、800#四种粒度的金刚石砂轮，砂轮速vs=1800m/min、工件速度vw=0.10.5m/min、磨削深度ap=2.5100um，磨削宽度b=5mm，对SiC、Si3N4进行平面磨削试验。研究磨削加工表面的形状及切屑形态、加工表面生成过程中从脆性向塑性迁移的机理。工程陶瓷磨削加工表面生成过程中发生脆性破碎及塑性变形，磨削加工表面呈现条状磨痕，生成凹凸不平的表面。2.工程陶瓷的one pass镜面磨削工程陶瓷、玻璃等脆性材料的镜面磨削，使用数um或更细粒度的金刚石砂轮进行加工
30、一般经过粗磨半精磨精磨镜面磨削的多工序过程，实现镜面加工。One Pass镜面磨削法是从粗磨到镜面的镜面加工方法。College of Mechanical & Vehicle Engineering第第第第1212章章章章 硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削1.5 工程陶瓷的镜面磨削工程陶瓷的镜面磨削2.工程陶瓷的one pass镜面磨削One Pass镜面磨削法镜面生成原理如图12-12所示 。One Pass镜面磨削法是在一次磨削行程切除材料层厚度ap，切除粗磨工序引起的加工变质层，同时一举创成镜面的工艺方法。实现高效率的镜面
31、加工。一般前工序粗磨或半精磨后表面加工变质层深度为2040um。College of Mechanical & Vehicle Engineering第第第第1212章章章章 硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削1.6 加工表面变质层的评价加工表面变质层的评价工程陶瓷磨削后，表面粗糙度、微裂纹、磨痕、残余应力等构成加工表面变质层。对陶瓷结构件的强度、使用功能有着重要影响。1.表面粗糙度评价一般可以用触针式粗糙度仪进行常规的检测和评价。对于脆性破碎型切屑产生的表面主要是脆性破碎，磨痕呈龟裂型贝壳状凹坑，微观表面粗糙度没有金属表面那样的尖
32、锐的波峰波谷。微观表面粗糙度轮廓曲线有时亦出现波谷的峰值，主要是触针陷入微裂纹及结晶孔洞一定深度。对于表面破碎面积率St小于2.5%的塑性带状切屑生成的表面，一般达到准镜面和镜面，用触针式粗糙度仪进行检测，存在触针划痕问题，影响镜面质量。现在多用电子显微镜和扫描电镜进行检测。2.微裂纹工程陶瓷磨削加工表面损伤主要是微裂纹。工程陶瓷的晶体缺陷造成裂纹成核及残余应力得以激活。由于磨削力及磨削热影响，使裂纹成核得以发展。微裂纹的存在影响工程陶瓷结构件强度下降。微裂纹对工程陶瓷强度的影响，可以用双向弯曲强度试验 （DTDouble Torsion）进行验证。College of Mechanical
33、& Vehicle Engineering第第第第1212章章章章 硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削 1.7 工程陶瓷的复合加工工程陶瓷的复合加工 工程陶瓷的复合加工方法，常用超声波振动磨削法与电解磨削法。超声波振动磨削工艺前已述及。 电解磨削工艺是利用电解作用及砂轮机械磨削作用复合工艺方法。电解磨削机床由机床本体、电源、电解液供给装置等构成。工件接阳极，砂轮接阴极。常用电解液为 NaNO3与NaNO3水溶液。 砂轮转速为10003500r/min，工作台进给速度为0.520m/min。砂轮尺寸为200mm10mm，粒度为150#
34、。电解磨削复合加工的磨削比G 与电解直流附加电压关系如图12-15所示。在直流附加电压为30V时，具有最大的磨削比G。电解磨削复合工较机械磨削的磨削比高23倍。College of Mechanical & Vehicle Engineering第第第第1212章章章章 硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削 1.8 超声波振动磨削工程陶瓷超声波振动磨削工程陶瓷超声波振动磨削是利用超声波振动和砂轮磨削的复合作用形成加工表面。超声波振动磨削系统示意图见图12-16。超声波振动磨削系统振动频率f 为2040kHz，振幅A 为数微米数十微米
35、（um）。超声波振动磨削工程陶瓷磨削力比普通磨削力降低13；磨削比提高10倍。由于施加了高频振动、金刚石砂轮表面不易被磨屑堵塞，保持了磨料的锋刃性，提高了磨削效率，累积磨削距离增大。金刚石砂轮在超声波纵向振动作用下，对表面粗糙度的尖峰多次滑擦、使表面粗糙度峰值降低。用超声波振动磨削除加工平面、内孔、外圆外，还能加工陶瓷结构件上的异形孔、方孔和多角形 （四角形、三角形）孔。College of Mechanical & Vehicle Engineering33第第12章章 硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削12.2 玻璃的磨削玻璃的磨削12.2.1 熔融石英玻璃的磨削熔融石英玻璃
36、的磨削熔融石英是由纯净的天然石英原料或用化学方法制得纯二氧化硅熔融石英是由纯净的天然石英原料或用化学方法制得纯二氧化硅 熔炼而成。具有硬熔炼而成。具有硬度高、耐热性好、抗热振阻力强的优点，但又有弹性模量较低、脆性大、抗压强度度高、耐热性好、抗热振阻力强的优点，但又有弹性模量较低、脆性大、抗压强度高，而抗拉强度低，磨削液的浸渍可改变性能，是制造天线罩的材料。天线罩系大高，而抗拉强度低，磨削液的浸渍可改变性能，是制造天线罩的材料。天线罩系大型薄壁、三维复杂形面的零件，又有小直径深孔需要磨削。型薄壁、三维复杂形面的零件，又有小直径深孔需要磨削。1.磨料与磨具的选择磨料与磨具的选择对熔融石英天线罩采用
37、干式磨削，选用电镀金刚石磨轮。用镍、钴作为粘结金属、将金刚石磨料镀在金属对熔融石英天线罩采用干式磨削，选用电镀金刚石磨轮。用镍、钴作为粘结金属、将金刚石磨料镀在金属基体上，磨料固结在金属基体上，形成金刚石磨轮。基体上，磨料固结在金属基体上，形成金刚石磨轮。金刚石磨料选用人造金刚石磨料金刚石磨料选用人造金刚石磨料 。这种金刚石磨料的显微组织为粗短块状结构，性质强韧、破碎性小、质。这种金刚石磨料的显微组织为粗短块状结构，性质强韧、破碎性小、质量稳定。人造金刚石磨料浓度为量稳定。人造金刚石磨料浓度为0$%，其粒度为，其粒度为120#。 2.磨削工艺参数磨削工艺参数试验表明，粒度试验表明，粒度120#
38、 的金刚石磨粒电镀成磨轮在进行磨削时，磨削比的金刚石磨粒电镀成磨轮在进行磨削时，磨削比G 最大达最大达50006000。在在vs=104.6m/s，vw=0.3m/min，磨料为，磨料为120#，在磨削深度，在磨削深度ap为为0.02mm进行磨削时，有最高的磨削比。砂进行磨削时，有最高的磨削比。砂轮转速为轮转速为2500r/min时，时，vw=0.3m/min，ap为为0.01mm行程，磨削比达最大值，磨粒的切除量达最大。行程，磨削比达最大值，磨粒的切除量达最大。 实验表明，采用电镀金刚石磨轮对熔融石英天线罩进行干式磨削时，选用实验表明，采用电镀金刚石磨轮对熔融石英天线罩进行干式磨削时，选用1
39、20#、浓度、浓度200%的的MSD人造人造金刚石磨粒、金刚石磨粒、ap行程，行程，vw=0.6mmin，ns=25000r/min的工艺参数，能够高效、高质量的加工石英天线的工艺参数，能够高效、高质量的加工石英天线罩。罩。College of Mechanical & Vehicle Engineering第第第第1212章章章章 硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削12.2.2 光学玻璃的磨削光学玻璃的磨削1.光学玻璃透镜球面的铣磨 工件材料为光学玻璃、使用机床QM08-铣磨机、磨削用量ns为1000rmin，工件转速nw为4.2
40、6m/min，进给速度为9mmmin，磨削液为煤油+全损耗系统用油 （1:1），使用磨具为MBD120# 100 2F2/3。College of Mechanical & Vehicle Engineering35第第12章章 硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削12.3 石材的磨削加工石材的磨削加工 大理石、花岗岩石、蛇纹石是建筑行业优良的装饰材料，具有美观、清洁、豪华、舒适、防污染、耐腐蚀、保持性好的特点。目前，大理石等石材的饰面加工一般经过粗磨、半精磨、精磨和抛光等加工工序。抛光表面状态是决定大理石作饰面材料质量的最关键因素。现对大理石等石材加工中几个重要问题予以论述。3.
41、1 大理石磨削表面形成机理 大理石磨削过程是材料发生迁移和断裂迁移。磨削压力和切深越大、磨粒越锋利，则越易去除材料。 在大理石磨削过程中，锐利的磨粒相当于锥压头加载于岩石上，分析岩石变形特征。采用点载荷应力场 （Cpvttjoftr应力场）来分析锥压头加载时，大理石材料内部的裂纹形成。在实际磨削加工中，应力场的力不是作用在试件边缘的对称半平面空间上，力也不是均匀分布的。这与点载荷应力场的假设条件不符，但认为这对定性预测应力场引起的裂纹形式影响不大。 在泊松比为v的弹性半无限岩石表面施加一集中载荷后，以施力点为原点，以至原点的距离R以及与某参考线的夹角为极坐标，则在该极坐标系统内，距离原点为R及
42、与通过载荷对称轴的另一参考线的夹角为的任意空间点上，将有法向主应力11、22、33，主切应力为11， 13和静水压力，则对Boussinesq应力场有College of Mechanical & Vehicle Engineering第第第第1212章章章章 硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削 3.1 大理石磨削表面形成机理 岩石的抗粒强度一般只有抗压强度的120140，通常认为拉应力是产生岩石断裂裂纹的原因。按照 Griffith理论和Lrwin的理论，认为岩石的断裂过程如图所示，图中为12初始裂纹长，为某点应力，Gc为单位面积
43、释放能，为材料表面能，E为材料弹性模量。大理石断裂破坏过程是拉应力产生断裂裂纹，裂纹扩展引起材料断裂破坏。 用压头静压入大理石的实验研究表明，大理石受一定力作用后，材料呈现塑性变形，是由于压应力场产生的。岩石塑性变形是由材料晶体晶格因超过颗粒间强度的破裂和分离，颗粒的线和面弯曲的角度变形及晶格一部分平移滑动引起的。 磨削加工条件不同，会改变磨削应力场的状态及磨削表面形貌。磨削速度越高，磨削表面越平整；磨削速度的提高，使相邻沟槽间距减小，断裂凹坑变小，材料易呈现断裂破坏。磨粒粒度越细，则材料越易呈塑性变形，磨削表面平整。 大理石在抛光过程中，被抛表面亦发生表面变质层。该变质层像润滑剂一样填充了材
44、料内部晶体排列的凹凸不平状，是加工表面平整而光滑。College of Mechanical & Vehicle Engineering第第第第1212章章章章 硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削12.3 石材的磨削加工石材的磨削加工3.2 花岗石的磨削加工花岗石的磨削加工 花岗石品种很多，硬度各异，且相差较大。在磨削加工时，要求有各种不同性能的磨具与之相适应。在普迪磨具中，菱苦土结合剂磨具具有自锐性好，磨削温度低，适应硬而脆的石材磨削加工，且制造工艺简单，故在石材加工中得到广泛应用。磨削花岗石的工艺参数有磨头转速n、磨头压力P、工
45、作台进给速度vw等。n为500900rmin，P为0.150.25MPa，vw为300900cmmjn。在粗、半精磨时，磨料磨粒的切削作用是主要的，一般选用较大的压力和较高的磨削速度。为提高生产率，可选用较大的进给速度。细磨是过渡性磨削，磨削质量对工件加工精度有很大影响。因此，应选用较高的磨削速度、较低的脐削压力和较慢的进给速度。精磨阶段要选用高的磨削速度、低的磨削压力及小的进给量。 用磨具抛光花岗石时。磨头转速n为700rmin，工作台进给速度vw为20cms，磨头压力P=0.8105Pa。抛光前经46#、70#、120#、240#、300#和400#六种模块的磨削，花岗石板材光泽度达192
46、（度）。抛光用磨料可选白刚玉800#，碳化硅800#。用白刚玉磨料抛光花岗石的效果优于碳化硅的抛光效果。抛光磨块的结合剂采用环氧树脂结合剂的抛光效果好于菱苦土结合剂的抛光效果。树脂结合剂磨块的成型密度为1.8。用主树脂为10%，改性剂为15%的磨具进行抛光，其效果最佳。College of Mechanical & Vehicle Engineering第第第第1212章章章章 硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削硬脆材料与难加工材料磨削12.3 石材的磨削加工石材的磨削加工 3.3 蛇纹石的抛光蛇纹石的抛光 蛇纹石常用作装饰及工艺品的材料，一级品要求光泽度
47、达80度以上。其制品常被制成表面形状不规则的工艺品。 由于制品形状不规则，抛光工具材料选择羊毛毡制成柔性抛光工具。柔软的抛光工具材料使磨料微粉的微刃切削痕迹微小，抛光后的光泽度高。 抛光用的抛光剂成分一般选用氧化铝、氧化镁、氧化饰、氧化铬、氧化钻磨料微粉。采用草酸、石蜡、硬质酸等为添加剂。抛光莱阳绿蛇纹石采用毛毡为抛光工具材料，抛光膏由氧化铬、饱和草酸及少量石蜡，加适量的水调和而成。粗抛和精抛的抛光速度为38ms。粗抛采用湿抛方式，施加较大的压力，抛3min后，其抛光表面光泽度达5070度。精抛采用于抛或少量水冷却，以较小的抛光压力，抛光3min后，光泽度可达92度。最后用光亮剂进行超精抛光，可进一步提高光泽度。
