氧化铝陶瓷预应力磨削试验研究.pdf

第3 7 卷第2 期 2 0 1 7 年0 4 月 ．矿冶工程 M I N I N GA N DM E T A L L U R G I C A LE N G Ⅱ哑R Ⅱq G V 0 l _ 3 7 №2 A p r i l2 0 1 7 氧化铝陶瓷预应力磨削试验研究① 姚远，张高峰 湘潭大学机械工程学院，湖南湘潭4 1 1 1 0 5 摘要基于工程陶瓷二维预压应力磨削方法，进行了氧化铝陶瓷在不同二维预压应力条件下的磨削试验，探究氧化铝陶瓷材料 的去除机理和加工损伤。结果表明，相同的磨削深度下，随着二维预压应力值增加，磨削力增大，陶瓷工件磨削表面质量提高，磨削 表面的粗糙度降低，亚表面损伤层厚度减小。预压应力使裂纹扩展所需能量增大，从而减少裂纹，提高磨削表面质量。 关键词磨削；预应力；氧化铝陶瓷；粗糙度 中图分类号T G 5 0 6文献标识码A d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．0 2 5 3 - 6 0 9 9 ．2 0 1 7 ．0 2 ．0 3 1 文章编号0 2 5 3 - 6 0 9 9 2 0 1 7 0 2 0 1 2 5 0 4 E x p e r i m e n t a lS t u d yo nP r e s t r e s sG r i n d i n gP r o c e s sf o rA l u m i n aC e r a m i c Y A OY u a n ，Z H A N GG a o f e n g S c h o o lo fM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g ，X i a n g t a nU n i v e r s i t y ，X i a n g t a n4 111 0 5 ，H u n a n ，C h i n a A b s t r a c t B a s e do nt h et w o d i m e n s i o n a lp r e s t r e s sm e t h o df o re n 百n e e r i n gc e r a m i cg r i n d i n g ，g r i n d i n gt e s t so fa l u m i n a c e r a m i cw e r ec a r r i e do u tu n d e rd i f f e r e n tt w o - - d i m e n s i o n a lp r e - s t r e s st oi n v e s t i g a t et h er e m o v a lm e c h a n i s ma n dg r i n d i n g d a m a g eo fa l u m i n ac e r a m i c ．T h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h eg r i n d i n gf o r c ei n c r e a s e dw i t ha ni n c r e a s ei nt w o d i m e n s i o n a l p r e s t r e s sv a l u ea tt h es a m eg r i n d i n gd e p t h ，w h i c hi m p r o v e dt h eq u a l i t ya n dd e c r e a s e dt h er o u g h n e s so ft h eg r o u n d s u r f a c eo fc e r a m i cw o r k p i e c e s ，a sw e l la sr e d u c e dt h et h i c k n e s so ft h ed a m a g e dl a y e ro fs u b s u r f a c e ．T h ep r e s t r e s sf o r c e r e s u l t si nm o r ep o w e rr e q u i r e df o rc r a c ke x t e n s i o n ，l e a d i n gt oar e d u c t i o ni nc r a c k s ．T h eq u a l i t yo ft h eg r o u n ds u r f a c ei s i m p r o v e dt h e r e b y ． K e yw o r d s g 订n d i n g ；p r e s t r e s s ；a l u m i n ac e r a m i c ；r o u g h n e s s 氧化铝陶瓷具有高硬度、耐高温、耐化学腐蚀、耐 磨损、低膨胀系数等优良性能，被广泛应用于矿山机 械、航空航天、电子器件等领域。陶瓷的成键方式为共 价键、离子键或两者混合，不同于具有自由电子的金属 结构，因而硬而脆。对于工程陶瓷部件的制造，磨削加 工是一种能够满足表面粗糙度和几何精度的常用加工 技术。然而，磨削加工引起的损伤会降低强度，减短部 件的使用寿命。磨削时对工程陶瓷加载预压应力，能 有效减少陶瓷材料的损伤，如文献[ 1 ] 对圆柱形B e O 陶 瓷施加轴向压力，发现在4 0 0 ～7 0 0M P a 范围内，其断裂 机制出现了从脆性向塑性转变的过程；文献[ 2 - 5 ] 进行 了高静水压下单晶硅、石英、玻璃等材料的单点切削试 验，得出在4 0 0M P a 高静水压下3 种材料的加工损伤 明显低于0M P a 下的加工损伤；文献[ 6 - 7 ] 进行了单 向预压应力下氧化铝陶瓷和碳化硅陶瓷的划痕及磨削 试验，结果表明，预压应力的存在有效减少了划痕和磨 削过程中陶瓷材料的损伤。本文对高纯氧化铝陶瓷进 行了预压应力磨削试验。 1 试验 研究对象为高纯氧化铝陶瓷 9 5 ％ ，其性能参数如 表1 所示。陶瓷块被切成了1 0m m 1 0 m m 1 0m m 规格。试验在高精密数控平面磨床上进行。磨削试验 所用砂轮为树脂基金刚石砂轮。通过一对V 型块对 氧化铝陶瓷施加双向预压应力，如图1 所示。在磨削 试验进行之前使用砂轮修整器和油石对砂轮进行修圆 和修锐。 表1 氧化铝性能参数 ①收稿日期2 0 1 6 - 1 0 - 2 1 作者简介姚远 1 9 9 2 一 ，女，湖南长沙人，硕士研究生，主要研究方向为先进陶瓷材料。 万方数据 矿冶工程 第3 7 卷 图I 双向预压应力加载示意 磨削过程中，由k i s t l e r 测力仪进行磨削力信号采 集。磨削后，对磨削后工件表面进行粗糙度测量；并对 工件垂直于磨削方向的平面进行抛光 分别采用磨粒大 小为2 3 ，1 2 ．5 ，6 ．5 和1 ．3p 肌的金刚石粉末进行抛光 ， 之后使用基恩士数码显微系统对精密抛光的磨削断面 和磨削表面进行观测。试验中砂轮速度2 2 ．8m ／s ，工 作台速度1m ／r a i n ，双向预压应力分别为0 ，2 0 0 ，3 0 0 和4 0 0M P a ，磨削深度分别为1 0 ，2 0 ，3 0 和5 0 斗m 。 2 试验结果 2 ．1 磨削力 不同预压应力下氧化铝陶瓷磨削力随磨削深度的 变化见图2 。 Z ＼ 文 聂 懿 星 燃 Z ＼ - 冀 襄 越 ．匿 恩 磨削深度／p m 图2 氧化铝陶瓷磨削力随磨削深度变化关系 由图2 可见，在相同的二维预压应力作用下，氧化 铝陶瓷法向磨削力与切向磨削力值均随磨削深度增加 而增加；在相同的磨削深度条件下，氧化铝陶瓷的法向 磨削力与切向磨削力均随二维预压应力增加而增大。 2 ．2 磨削力比 不同预压应力下氧化铝陶瓷法向磨削力和切向磨 削力的关系如图3 所示。从图3 可以看出，法向磨削 力与切向磨削力呈线性关系，它们的斜率即为磨削力 比 F ／E 。当二维预应力从0 增大到4 0 0M P a 时， 磨削力比从2 ．6 6 稍稍增大到了3 ．8 1 。磨削力比在一 定程度上反映了加T 的难易程度。 Z ＼ ≮ 裹 蛰 量 燃 切向磨削力／N 图3 氧化铝陶瓷磨削力比 2 1 3 表面粗糙度 不同预压应力下磨削表面粗糙度值与磨削深度的 关系如图4 所示。由图4 可见，在相同的二维预压应 力条件下，表面粗糙度值随磨削深度增加稍有增大；而 在相同的磨削深度条件下，表面粗糙度随二维预压应 力值增大而稍有降低． 暑 i ＼ 型 黎 囊 暄 鞯 磨削深度／t a m 图4 氧化铝陶瓷磨削表面粗糙度随磨削深度变化关系 2 ．4 磨削表面形貌 图5 为二维预压应力为0 时不同磨削深度条件下 的氧化铝陶瓷磨削表面微观形貌，图6 为磨削深度为 3 0 斗m 时不同二维预压应力条件下的氧化铝陶瓷磨削 表面微观形貌。由图5 ～6 可见，磨削表面主要包含凹 坑和磨削沟槽，随着磨削深度加大，凹坑越多越大；随 万方数据 第2 期姚远等氧化铝陶瓷预应力磨削试验研究 着二维预压应力增加，氧化铝陶瓷的磨削表面凹坑减 少，开始出现较为明显的磨削沟槽，但区别不太明显。 图5 不同磨削深度条件下的氧化铝陶瓷磨削表面微观形貌 a 1 0I ．z m ； h 2 0 “I n ； ’ 3 0I x m ； d 5 0l , z m 图6 不同二维预压应力条件下的氧化铝陶瓷磨削表面微观形貌 d 0 1 P a ； b 2 0 M P a ； 、 3 0 0M P a d 4 0 0M P a 2 ．5 磨削亚表面损伤 为了更加详尽地了解工程陶瓷在二维预压应力下 的加工损伤机理，在陶瓷磨削后对其磨削断面进行了 镜面抛光。抛光之后使用基恩士数码显微系统对精密 抛光的磨削断面进行观测。亚表层损伤在抛光断面与 磨削面相连接的部分能较为容易地识别出来，通常称 之为磨削损伤层。在多晶陶瓷材料中，由于相邻的晶 粒之间结晶学取向往往失配，一条裂纹到达两晶粒的 界面后可能直接穿过晶界，在扩展平面方向产生较小 偏转后继续在之后的晶粒内部扩展，即穿晶断裂；也可 能发生偏转，沿着晶界扩展，即沿晶断裂。当磨粒划过 陶瓷材料时，陶瓷晶粒因受到挤压而发生塑性变形和 脆性断裂。局部的应力集中导致了裂纹的产生。随着 磨削过程的进行，裂纹以穿晶断裂和沿晶断裂的形式 逐渐扩展，一部分横向裂纹融会贯通，最终形成切削剥 离表面，另一部分裂纹则留在了磨削亚表面，形成了加 工损伤层。 图7 为二维预压应力为0 时不同磨深条件下氧化 铝陶瓷亚表面损伤情况。在磨削深度为1 0 斗m 时，其 亚表面损伤层厚度最小，磨削深度为5 0i a , m 时最大。 这与之前的磨削力变化情况相吻合，也从侧面佐证了 其表面质量的变化。随着磨削深度增加，磨削力增大， 磨削损伤增加，磨削表面质量降低。图8 为磨深为 3 0 斗m 时不同二维预压应力条件下氧化铝陶瓷亚表面 损伤情况。磨削深度相同时，当对陶瓷工件两个侧面 施J J n - - 维预压应力后，其亚表面加工损伤开始出现较 为明显的变化。 图7 不同磨深条件下氧化铝陶瓷亚表面损伤情况 a 1 0I x m h 2 0I , ．t m ； c 3 0I x m ； d 5 0I ．z m 图8 不同预压应力条件下氧化铝陶瓷亚表面损伤情况 a 0M P a ； b 2 0 0M I ’8 ； c 3 0 0M P a ； d 4 0 0M P a 万方数据 矿冶工程 第3 7 卷 图9 为在显微镜下取5 点测量的损伤层厚度平均 值，可以看出亚表面损伤层厚度随预压应力值增大而 减小，对于磨削深度较大的组尤为明显。虽然在此条 件下磨削力逐渐增大，但工件表面的表面／亚表面质量 呈提高趋势。 预压应力／M P a 图9 氧化铝磨削损伤层平均厚度 。 2 ．6 分析与讨论 当金刚石磨粒划过陶瓷材料表面时，磨粒下方陶 瓷表面应力增加，这种应力会导致微裂纹的产生并在 裂纹尖端造成应力集中。微裂纹继续扩展会造成更大 的裂纹和断裂。裂纹扩展的条件Ho 可以阐述为 蜀≥K 赫 1 式中＆为材料断裂韧性；K 为应力强度因子，可表 示为 K l 盯“而 2 式中o r 为作用于微裂纹的拉应力；o 为微裂纹长度。 当双向预压应力作用于工件时，作用于微裂纹的 拉应力o r 会减小。因此，应力强度因子减小，表面损 伤也减少。在其他加工条件相同的情况下，加工施加 双向预压应力的陶瓷块需要更大的能量来产生相应的 裂纹，因此施加双向预压应力的陶瓷块的磨削表面质 量较好。这与试验结果中磨削表面损伤层厚度减小、 表面粗糙度减小相符。 而横向裂纹产生于压头下方塑性变形层底部，并 在材料内沿与表面几乎平行的平面内扩展，侧向裂纹 向自由表面的偏移导致材料的断裂去除。因此加工施 加双向预压应力的陶瓷块同样需要更大的能量来去除 材料，在试验中反映为磨削力增大。 3 结论 1 在氧化铝陶瓷的预压应力磨削中，在相同的二 维预压应力下，磨削力随磨削深度增加而增大；在相同 的磨削深度下，磨削力随二维预压应力增加而增大。 2 二维预压应力的存在有效提升了磨削表面质 量，磨削表面的粗糙度降低。 3 二维预压应力的存在使得产生裂纹所需的能 量增大，从而使得磨削后亚表面损伤层厚度减小。 参考文献 [ 1 ] H e a r dHC ，C l i n eC F ．M e c h a n i c a lb e h a v i o u ro fp o l y c r y s t a l l i n eB e O ， A 1 2 0 3a n dA I Na th i g hp r e s s u r e [ J ] ．J o u r n a lo fM a t e r i a l sS c i e n c e ， 1 9 8 0 ，1 5 8 1 8 8 9 - 1 8 9 7 ． [ 2 ] M a s a h i k oY o s h i n o ，T a k a y u k iA o k i ，T a k a h i r oS h i r a k a s h i ．S c r a t c h i n g T e s to fH a r d B r i t t l eM a t e r i a l sU n d e rH i s hH y d r o s t a t i cP r e s s u r e [ J ] ． J o u r n a lo fM a n u f a c t u r i n gS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ，2 0 0 0 ，1 2 3 2 2 3 1 2 3 9 ． [ 3 ] Y o s h i n oM ，A o k iT ，S h i r a k a s h iT ，e ta 1 ．S o m ee x p e r i m e n t so nt h e s c r a t c h i n go fs i l i c o n I ns i t us c r a t c h i n gi n s i d ea l lS E Ma n ds c r a t c h i n g u n d e rh i g he x t e r n a lh y d r o s t a t i cp r e s s u r e s [ J ] ．I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo f M e c h a n i c a lS c i e n c e s ，2 0 0 1 ，4 3 2 3 3 5 3 4 7 。 [ 4 ] M a s a h i k oY o s h i n o ，Y a s u f u m iO g a w a ，S i v a n a n d a mA r a v i n d a n ．M a c h i n i n go fH a r d B r i t t l eM a t e r i a l sb yaS i n g l eP o i n tT o o lU n d e rE x t e r n a l H y d r o s t a t i cp r e s s u r e [ J ] ．J o u r n a lo fM a n u f a c t u r i n gS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ，2 0 0 5 ，1 2 7 4 8 3 7 8 4 5 ． [ 5 ] Y o nJ ，Y o s h i n oM ，K u r i a g a w aT ，e ta 1 ．O nt h ed u c t i l em a c h i n i n go f s i l i c o nf o rm i c r oe l e c t r o - m e c h a n i c a ls y s t e m s M E M S ，o p t o - e l e c t r o n i c a n do p t i c a la p p l i c a t i o n s [ J ] ．M a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g A ， 2 0 0 1 1 2 2 3 0 - 2 3 4 ． [ 6 ] Y u a n q i a n gT a n ，S h e n g q i a n gJ i a n g ，D o n g m i nY a n g ，e ta 1 ．S c r a t c h i n g o fA 1 2 0 3u n d e rp r e s t r e s s i n g [ J ] ．J o u r n a lo fM a t e r i a l sP r o c e s s i n g T e c h n o l o g y ，2 0 1 1 ，2 1 1 7 1 2 1 7 1 2 2 3 ． [ 7 ] 姜胜强．预压应力下陶瓷材料的裂纹扩展及其加工机理研究 [ D ] ．湘潭湘潭大学土木工程与力学学院，2 0 1 2 ． 引用本文姚远，张高峰．氧化铝随瓷预应力磨削试验研究[ J ] ．矿冶 工程，2 0 1 7 ，3 7 2 1 2 5 1 2 8 ． 富铽能铽锵犍锵锵犍铽蝴吨铽袋犍髓键铽铽铽铽铽铽键铽供铽锵铽键铽铽铽铽铽铽铽供铽铽铽贰供铽铽铽‘、 笺关于检测学术不端的公告 定2 客为弘扬良好学术风气，保护知识产权，防止抄袭、伪造、篡改、不当署名、一稿多投、一个学术成果多客 蚤篇发表等学术不端行为，本刊与中国学术期刊 光盘版 电子杂志社合作，由中国学术期刊 光盘版 电 子杂志社学术不端文献检测中心对本刊网络版刊登的文章进行系统检测，并按照“中国学术期刊网络 冬 出版总库删除学术不端文献暂行办法”，对出现以上学术不端行为的文章作出严肃处理。 芝 3特此公告13 芝 矿冶工程杂志编辑部 ≥ 气；；；；；；；耐；；；；；；；；；；；；；；；；；；；；；；；；；；罂三芝三爨持；；；Ⅻ耋 万方数据