论文部分内容阅读
摘 要：本文结合应脆材料去除机理研究成果，基于磨削原理，建立了工程陶瓷磨削加工材料去除理论模型，并对模型的应用做了简要分析。论文指出，影响材料去除率的因素不仅有磨削参数，还有材料本身的性能参数；材料去除率的大小和材料的去除方式有关，材料以何种方式被去除取决于实际切削深度与临界切削深度的关系。本论文的理论研究和应用分析有利于指导工程实践，对降低工程陶瓷的加工成本，实现工程陶瓷更广泛的应用有重大意义。
关键词：工程陶瓷；磨削；材料去除率；模型
工程陶瓷因其强度高、耐高温、耐磨损、耐腐蚀等诸多优越性能而广泛应用于机械、电子、宇航、汽车、冶金、化工等领域。然而由于工程陶瓷硬度和脆性极高，成形加工十分困难，其加工成本达整个陶瓷元件成本的80%～90%，这也是妨碍其更广泛推广应用的主要原因。
在硬脆材料的加工制造方面，使用金刚石工具的磨削加工仍然是目前最常用的加工方法，占所有加工工艺的80%以上。由于陶瓷材料的高硬度和高脆性，大的材料去除率会使被磨陶瓷元器件产生各种类型的表面、亚表面损伤。因此，如何高效地获得所需的加工表面，降低加工成本一直是该领域亟待解决的主要问题。
本文结合应脆材料去除机理方面的研究成果，基于磨削原理，建立了工程陶瓷磨削加工材料去除理论模型，并对模型的应用做了简要分析。
1 硬脆材料去除机理
由BIFANO等人关于硬脆材料的延性域去除机理研究可知，当加工切深小于某个临界值时，塑性变形成为在微小加工单元条件下材料的主要去除机理，从而避免脆性破坏；一旦切深超过临界值，材料就可能产生宏观裂纹。在磨削加工中，磨削表面究竟是由塑性变形形成还是由脆性断裂形成，主要取决于磨粒的实际切削深度与延性去除的临界切深hc。当 式中 β-常数
E-陶瓷材料的弹性模量
KIC-陶瓷材料的断裂韧度
H-材料的硬度。
2 工程陶瓷磨削加工材料去除模型
基于硬脆材料的去除机理，接下来建立陶瓷材料在塑性变形和脆性断裂两种不同去除方式下的材料去除数学模型。
2.1 单颗磨粒去除材料的体积
（1）材料以塑性变形去除为主。由BIFANO等人关于硬脆材料的延性域去除机理研究可知，当 假设磨粒为锥形，半顶锥角为，那么，单颗磨粒与工件的接触横截面积为：
（2）材料以脆性断裂去除为主。当 >hc时，磨削过程中材料以脆性断裂去除为主。由陶瓷材料脆性断裂去除机理可知，磨粒与工件的接触过程中，会产生径向裂纹和横向裂纹，磨削层材料因裂纹失稳扩展而延伸至磨削表面，进而造成磨削层材料的断裂、脱落。单颗磨粒的材料去除模型如图2所示。
由压痕硬度公式，p载荷，a压痕尺寸，压头几何因子，维氏压头，=2，可知：
由文献可知，横向裂纹长度，横向裂纹深度分别为：
所以，单颗磨粒去除材料横截面积近似为
综上，单颗磨粒与工件的接触横截面积
2.2 磨削过程中的有效磨粒数
为计算磨削过程中有效磨粒数，做如下假设：
（1）磨削深度ap范围内的磨粒均参与切削；
（2）磨粒在砂轮中均匀分布，颗粒大小均匀。
图3为磨削过程中砂轮表面示意图：
设磨粒的体积分数为：，磨粒直径，砂轮宽度，接触弧长，弧段内有效磨粒数，单位体积磨粒数。
由体积分数定义可得：
那么，
假设磨粒在砂轮中均匀分布，可求得有效磨削体积为：
（10）
磨削过程中弧段内有效磨粒数为：
考虑到弧段内磨粒排列的随机性，将上式修正为
式中η为修正系数。
2.3 材料去除综合模型的建立
由（7）、（12）式，可得磨削加工工程陶瓷材料去除综合模型，即
3 关于模型的几点应用分析
（1）由模型的建立过程可知，材料去除率的大小不仅与磨削深度、砂轮直径、磨粒大小等磨削参数有关，还和陶瓷材料本身的硬度、韧性等参数有关。在磨削加工过程当中，针对不同的陶瓷材料要采取不同的磨削参数，以获得所需的表面质量和较高的材料去除效率，降低加工成本。
（2）材料去除率的大小和材料的去除方式有关，材料以何种方式被去除取决于实际切削深度与临界切削深度的关系。当实际切削深度小于临界切削深度时，材料以塑性变形的方式被去除，此时，材料去除率较低，加工质量较好；当实际切削深度大于临界切削深度时，材料以脆性断裂的方式被去除，此时，材料去除率较高，加工质量相对较差。所以，在实际磨削过程当中，应根据零件的表面质量要求选择合适的磨削深度，以得到相应的材料去除方式，进而获得所需的表面质量。
4 结论
本文从塑性变形和脆性断裂两个方面，建立了工程陶瓷磨削加工材料去除理论模型。从模型的建立过程可知：（1）影响材料去除率的因素不仅有磨削参数，还有材料本身的性能参数；（2）材料去除率的大小和材料的去除方式有关，材料以何种方式被去除取决于实际切削深度与临界切削深度的关系。本论文的理论研究和应用分析有利于指导工程实践，对降低工程陶瓷的加工成本，实现工程陶瓷更广泛的应用有重大意义。
參考文献
[1]谢桂芝，尚振涛，盛晓敏，等.工程陶瓷高速深磨磨削力模型的研究[J].机械工程学报，2011，47（11）：169-176.
[2]刘继广，钟利军，于爱兵，等.工程陶瓷材料的磨削加工性评价方法研究[J].硅酸盐通报，2007，26（3）：593-597.
关键词：工程陶瓷；磨削；材料去除率；模型
工程陶瓷因其强度高、耐高温、耐磨损、耐腐蚀等诸多优越性能而广泛应用于机械、电子、宇航、汽车、冶金、化工等领域。然而由于工程陶瓷硬度和脆性极高，成形加工十分困难，其加工成本达整个陶瓷元件成本的80%～90%，这也是妨碍其更广泛推广应用的主要原因。
在硬脆材料的加工制造方面，使用金刚石工具的磨削加工仍然是目前最常用的加工方法，占所有加工工艺的80%以上。由于陶瓷材料的高硬度和高脆性，大的材料去除率会使被磨陶瓷元器件产生各种类型的表面、亚表面损伤。因此，如何高效地获得所需的加工表面，降低加工成本一直是该领域亟待解决的主要问题。
本文结合应脆材料去除机理方面的研究成果，基于磨削原理，建立了工程陶瓷磨削加工材料去除理论模型，并对模型的应用做了简要分析。
1 硬脆材料去除机理
由BIFANO等人关于硬脆材料的延性域去除机理研究可知，当加工切深小于某个临界值时，塑性变形成为在微小加工单元条件下材料的主要去除机理，从而避免脆性破坏；一旦切深超过临界值，材料就可能产生宏观裂纹。在磨削加工中，磨削表面究竟是由塑性变形形成还是由脆性断裂形成，主要取决于磨粒的实际切削深度与延性去除的临界切深hc。当
E-陶瓷材料的弹性模量
KIC-陶瓷材料的断裂韧度
H-材料的硬度。
2 工程陶瓷磨削加工材料去除模型
基于硬脆材料的去除机理，接下来建立陶瓷材料在塑性变形和脆性断裂两种不同去除方式下的材料去除数学模型。
2.1 单颗磨粒去除材料的体积
（1）材料以塑性变形去除为主。由BIFANO等人关于硬脆材料的延性域去除机理研究可知，当
（2）材料以脆性断裂去除为主。当 >hc时，磨削过程中材料以脆性断裂去除为主。由陶瓷材料脆性断裂去除机理可知，磨粒与工件的接触过程中，会产生径向裂纹和横向裂纹，磨削层材料因裂纹失稳扩展而延伸至磨削表面，进而造成磨削层材料的断裂、脱落。单颗磨粒的材料去除模型如图2所示。
由压痕硬度公式，p载荷，a压痕尺寸，压头几何因子，维氏压头，=2，可知：
由文献可知，横向裂纹长度，横向裂纹深度分别为：
所以，单颗磨粒去除材料横截面积近似为
综上，单颗磨粒与工件的接触横截面积
2.2 磨削过程中的有效磨粒数
为计算磨削过程中有效磨粒数，做如下假设：
（1）磨削深度ap范围内的磨粒均参与切削；
（2）磨粒在砂轮中均匀分布，颗粒大小均匀。
图3为磨削过程中砂轮表面示意图：
设磨粒的体积分数为：，磨粒直径，砂轮宽度，接触弧长，弧段内有效磨粒数，单位体积磨粒数。
由体积分数定义可得：
那么，
假设磨粒在砂轮中均匀分布，可求得有效磨削体积为：
（10）
磨削过程中弧段内有效磨粒数为：
考虑到弧段内磨粒排列的随机性，将上式修正为
式中η为修正系数。
2.3 材料去除综合模型的建立
由（7）、（12）式，可得磨削加工工程陶瓷材料去除综合模型，即
3 关于模型的几点应用分析
（1）由模型的建立过程可知，材料去除率的大小不仅与磨削深度、砂轮直径、磨粒大小等磨削参数有关，还和陶瓷材料本身的硬度、韧性等参数有关。在磨削加工过程当中，针对不同的陶瓷材料要采取不同的磨削参数，以获得所需的表面质量和较高的材料去除效率，降低加工成本。
（2）材料去除率的大小和材料的去除方式有关，材料以何种方式被去除取决于实际切削深度与临界切削深度的关系。当实际切削深度小于临界切削深度时，材料以塑性变形的方式被去除，此时，材料去除率较低，加工质量较好；当实际切削深度大于临界切削深度时，材料以脆性断裂的方式被去除，此时，材料去除率较高，加工质量相对较差。所以，在实际磨削过程当中，应根据零件的表面质量要求选择合适的磨削深度，以得到相应的材料去除方式，进而获得所需的表面质量。
4 结论
本文从塑性变形和脆性断裂两个方面，建立了工程陶瓷磨削加工材料去除理论模型。从模型的建立过程可知：（1）影响材料去除率的因素不仅有磨削参数，还有材料本身的性能参数；（2）材料去除率的大小和材料的去除方式有关，材料以何种方式被去除取决于实际切削深度与临界切削深度的关系。本论文的理论研究和应用分析有利于指导工程实践，对降低工程陶瓷的加工成本，实现工程陶瓷更广泛的应用有重大意义。
參考文献
[1]谢桂芝，尚振涛，盛晓敏，等.工程陶瓷高速深磨磨削力模型的研究[J].机械工程学报，2011，47（11）：169-176.
[2]刘继广，钟利军，于爱兵，等.工程陶瓷材料的磨削加工性评价方法研究[J].硅酸盐通报，2007，26（3）：593-597.