氮化硅陶瓷磨削温度与表面裂纹扩展研究

工程陶瓷零件的亚表面损伤严重影响其可靠性和使用寿命,因此探究了磨削温度对氮化硅陶瓷表面裂纹扩展的影响。首先,通过K型热电偶测温技术获得磨削参数与磨削温度的关系;其次,通过陶瓷片磨削试验获得陶瓷内部亚表面裂纹扩展情况;最后,得出磨削温度对裂纹扩展的改善机制。试验结果表明,随着磨削速度、磨削深度的增加,磨削温度增大;随着进给速度的增加,磨削温度减小。纵向裂纹在陶瓷内部扩展时会产生与原纵向裂纹扩展方向相同或者相近的新纵向裂纹,新纵向裂纹的路径在残余热应力的作用下会改变方向,出现横向裂纹,当新横向裂纹与原横向裂纹扩展路径相交后,会引起陶瓷表面的断裂和剥落。当磨削温度由456℃增加到1 035℃时,裂纹扩展深度先由8.1μm减小到3.8μm后,再增大到19.2μm,在603～732℃时,裂纹扩展深度较小,为3.8～5.6μm。研究表明适当的磨削温度对陶瓷亚表面裂纹扩展有抑制作用。     

磨削力对HIPSN陶瓷磨削亚表面裂纹的影响

采用金刚石砂轮是磨削热等静压氮化硅(HIPSN)陶瓷最常用的加工方法,但是被磨零件亚表面常常伴随裂纹、崩碎等加工损伤,因此研究裂纹扩展一直是工程陶瓷的热点问题。对磨削加工后的HIPSN陶瓷亚表面裂纹进行探究,分析其在磨削加工过程中产生裂纹的原因以及去除机理,研究结果表明在磨削过程中对裂纹进行适当的控制,可以提高陶瓷零件的可靠性。设置单因素实验,对不同磨削参数下HIPSN陶瓷的磨削力进行测量,通过扫描电镜(SEM)对亚表面裂纹和表面形貌进行观察,分析磨削力对亚表面裂纹的影响。实验结果表明:磨削力随着砂轮线速度的增大而减小,随着工件进给速度和磨削深度的增大而增大;当磨削力变大时,陶瓷亚表面裂纹扩展程度增加,表面形貌变差。在粗磨加工HIPSN陶瓷时,可以通过减小工件进给速度和磨削深度,提高砂轮线速度的方法来降低裂纹的扩展程度,能够有效降低后续工艺的加工时间和难度,提高表面质量。     

陶瓷材料磨削裂纹成因分析

应用陶瓷微观结构和磨削表面热应力的有关知识结合压痕断裂力学和损伤力学；根据几种典型结构陶瓷材料的SEM观察结果，分析了结构陶瓷磨削裂纹的产生过程、形成机理。     

纳米结构陶瓷涂层的磨削机理

用压痕断裂力学模型或切削加工模型来处理纳米结构陶瓷的磨削去除机理.把磨削中磨粒与工件的相互作用近似看成理想的小规模压痕现象,研究磨削裂纹的形成与扩展过程、材料的去除过程以及陶瓷磨削表面缺陷来评价陶瓷加工表面质量.切削加工模型证明了虽然材料去除通常由脆性去除实现,但大部分磨削能消耗与塑性变形有关.     

磨削速度对碳化硅陶瓷磨削损伤影响机制研究

碳化硅陶瓷高速磨削过程中,磨粒对工件材料强力冲击,应变率剧增、复杂显微结构对应力波传送响应转变,材料力学行为发生变化,目前高速磨削对材料去除机制影响的物理本质认识还不清楚。为此,开展磨削速度对SiC陶瓷磨削裂纹损伤影响机制研究。通过单颗磨粒磨削SiC陶瓷试验,分析了磨削速度对SiC陶瓷磨削表面形貌、磨削亚表面裂纹损伤深度、磨削力和磨削比能的影响规律。试验结果表明,当SiC陶瓷材料以脆性方式去除时,磨削速度对裂纹损伤影响最为显著,随着磨削速度从20 m/s增加到160 m/s,磨削亚表面裂纹损伤深度从12.1μm快速降低到6μm。采用Voronoi法建立了金刚石磨削多晶SiC陶瓷有限元仿真模型,当磨粒切厚为0.3μm,磨削亚表面损伤以微裂纹为主;当磨粒切厚为1μm时,随着磨削速度增加,磨削亚表面裂纹损伤深度从14.7μm降低到4.6μm,磨削亚表面宏观沿晶裂纹逐渐变为微观裂纹。基于位错理论和冲击动力学理论,揭示了高速磨削过程中位错密度的增加和晶界反射应力波对应力场削弱作用是高速磨削SiC陶瓷裂纹损伤“趋肤效应”产生的机理。     

钛合金的磨削烧伤和磨削裂纹

在分析和研究用树脂结合剂陶瓷结合剂刚玉砂轮以及绿色碳化硅砂轮磨削钛合金时产生磨削烧伤和磨削裂纹的基础上,提出了抑制钛合金磨削烧伤和磨削裂纹的措施。试验研究表明,合理的砂轮磨料和硬度等级、合理的磨削用量、高效磨削液和ＣＢＮ砂轮将有效地避免钛合金的磨削烧伤和磨削裂纹。     

电火花机械复合磨削反应烧结SiC陶瓷的表面特征

研究了基于电火花机械复合磨削技术加工的反应烧结碳化硅(RB-SiC)陶瓷的表面特征。用电火花机械复合磨削(EDDG)、电火花磨削(EDG)以及普通磨削(CG)三种方法加工RB-SiC陶瓷,并采用激光共聚焦显微镜和扫描电子显微镜对加工后的SiC陶瓷的表面粗糙度、表面形貌及微观裂纹进行测量和对比试验,获得了RB-SiC陶瓷的EDDG加工特性。实验显示:EDDG加工的RB-SiC陶瓷的表面粗糙度优于EDG加工的表面粗糙度,为0.214 9μm,但比CG加工的表面粗糙度0.195 6μm略差。对加工后的SiC陶瓷表面形貌观察显示,传统磨削加工后的表面存在明显划痕,EDG加工表面主要由放电凹坑组成,而EDDG加工表面同时存在放电凹坑和磨削划痕;另外,传统磨削表面也存在磨削裂纹和晶界裂纹,但EDG加工后的表面只存在热裂纹,而EDDG加工后的表面存在磨削裂纹和热裂纹,不过热裂纹可以用金刚石磨粒磨削去除。对比实验显示RB-SiC陶瓷的EDDG加工与EDG和CG加工获得了不同的表面特征。     

基于块状屑统计分析的平面陶瓷切割——推磨加工推磨力与裂纹扩展试验研究

对金刚石砂轮推磨平面Al2O3陶瓷加工过程中碎屑的尺寸进行分类,计算了不同类型碎屑的碎屑比。通过对碎屑的分类统计,结合推磨力,研究了基于裂纹扩展效应的陶瓷切割—推磨复合式平面加工过程中推磨速度与磨削深度对裂纹扩展强弱的影响规律。结果表明:基于裂纹扩展效应的陶瓷切割—推磨复合式平面加工技术中,碎屑以尺寸大于0.7mm的碎屑为主,平均约占材料去除的50%以上。基于裂纹扩展效应的陶瓷切割—推磨复合式平面加工技术中,整体块占比、推磨力均随着推磨速度、磨削深度的增加而增加。结合Ⅱ型、Ⅲ型碎屑比,推磨力F推磨速度在14.4mm/min、磨削深度在0.7mm附近,裂纹扩展效果最为显著。根据试验,确定块占比为50%作为区别推磨加工与普通平面加工的依据。     

工程陶瓷磨削表面/亚表面损伤的产生及其控制

总结讨论了国内外在陶瓷磨削表面/亚表面损伤方面所作的研究及其所取得的成果;讨论了表面/亚表面裂纹和残余应力产生的原因及扩展机理;探讨了控制陶瓷磨削表面/亚表面损伤的途径;指出了当前研究所存在的问题及今后需要努力地方向。     

平面SiC陶瓷切槽--推磨加工技术可行性研究

提出了基于裂纹扩展效应的平面SiC陶瓷切槽—推磨复合加工新技术,开展了该技术的可行性研究。重点研究了推磨角、凸缘壁厚、砂轮转速、推磨深度、推磨速度对去除凸缘过程中块占比和轴向推磨力的关系,得出了上述工艺参数对推挤—磨削复合作用中推挤作用所占比重的影响规律。借助Walker公式分析了该技术的加工机理。采用该技术加工出了SiC陶瓷平面,测出了表面粗糙度,从而证实了该新技术可广泛应用于平面陶瓷磨削的可能性。     

纳米ZrO2陶瓷的超声振动延性域磨削特性研究

本文分析了纳米ZrO2陶瓷在普通和超声磨削状态下的裂纹扩展过程及延性去除机理;通过对不同磨削状态的磨削力及AFM和SEM对表面质量的观察,做了在普通和超声磨削状态下的对比试验,研究了临界延性磨削深度对磨削力及表面质量的影响关系;基于超声振动磨削过程及磨削力的分析,讨论了超声振动增加延性磨削深度的原因,最后通过AFM对延性域加工表面形貌的形成机理进行了观察。研究表明：超声加工能明显提高纳米ZrO2陶瓷的临界延性磨削深度,振动方向垂直于砂轮线速度方向时,其磨削效果要优于振动方向平行于砂轮速度方向的磨削效果。通过在延性域范围内磨削,超声加工能高效地获得纳米加工表面,超精密磨削表面是由不同幅值多种波形叠加的结果。     

脆性材料磨削加工损伤及工件强度研究

通过对脆性材料磨削加工损伤机理的分析,说明磨削方向与脆性材料强度分布的各向异性有关.提出一种外圆磨床磨削圆柱类脆性材料的运动模式,并对磨削加工试件进行强度试验、Weibull统计分析和断口显微分析,结果表明对于外圆磨削,改变磨削加工方向,脆性材料工件的轴向抗拉强度可以提高30%.     

多孔钎焊砂轮的制备及SiC陶瓷磨削试验研究

基于模压成形和真空固相烧结工艺,选用Cu-10Sn结合剂、经氧化预处理的TiH2钎焊造孔剂、MBD8金刚石磨粒,制备出磨粒把持力大、孔隙分布均匀的多孔钎焊金刚石砂轮（PBDGW）。开展PBDGW与多层钎焊金刚石砂轮（MBDGW）的SiC陶瓷磨削对比试验,从磨削力、工件表面粗糙度和表面/亚表面形貌等方面分析砂轮的磨削性能。试验结果表明：与MBDGW相比,PBDGW磨削SiC陶瓷的切向力下降了8.4%～23.6%、法向力下降了10.2%～38.6%,磨削加工表面粗糙度平均降幅为10.4%;工件表面完整性较好,表面/亚表面的脆性断裂、微观裂纹等缺陷较少。     

Y-TZP陶瓷的去除机理及耐磨性研究进展

叙述了近年来Y-TZP陶瓷磨削去除机理、耐磨性的研究进展以及一些因素(如力学性能、显微结构、相变、摩擦介质等)对Y-TZP陶瓷耐磨性的影响。Y-TZP在磨削加工过程中主要通过塑性变形、脆性断裂和粉末化等方式去除;在摩擦磨损过程中主要的磨损机理是裂纹扩展、层离、剥落、晶粒拔出、犁耕、塑性变形等。二者的主要去除机理具有许多相似之处。     

The basic study about the effect of single point grinding on the bending strength of brittle material

Single point grinding was investigated by using a sliding indentation apparatus. Sharp indenter sliding against brittle solid produces a scratch with a median crack. The size of the crack depends on the applied indenter load and the sliding speed. The effect of the crack size and its orientation on bending strength of glass is investigated experimentally. It is shown that the tested glass has high bending strength when the indenter load is low, bending direction is parallel to the scratch, and sliding speed is low. The results of bending test are predictable by fracture mechanics analysis including residual stress effect. This study makes it possible to understand the influence of grinding conditions on the bending strength of ground ceramics.     

纳米ZrO2陶瓷超声振动磨削表面残余应力试验研究

采用超声振动磨削和普通磨削方式,利用X射线衍射分析仪,对纳米氧化锆陶瓷表面残余应力进行了研究.实验结果表明,纳米氧化锆陶瓷磨削表面产生的残余应力都表现为压应力;随着磨削深度的增加,超声振动磨削表面残余应力减小趋势较缓;磨削表面残余应力随着磨粒的增大呈上升趋势,且普通磨削表面残余应力上升的趋势较超声振动磨削的要快.     

二维超声磨削纳米氧化锆陶瓷的磨削力特性研究

对纳米氧化锆陶瓷在二维超声磨削条件下的磨削力进行了理论分析与实验研究,并与相同磨削参数下的普通磨削方式的磨削力进行了比较和分析。研究表明:与普通磨削相比,二维超声磨削可获得椭螺线式的加工轨迹,大大减小了平均磨削力,扩大了纳米陶瓷的塑性加工域,表面质量得到明显的改善。