工程陶瓷加工表面臨界條件的研究*

馬廉潔,王　華,顧立晨,單　泉,楊建宇,于愛兵

(1.東北大學 機械工程與自動化學院，遼寧 沈陽110819; 2.東北大學秦皇島分校 控制工程學院，河北 秦皇島 066004；3.寧波大學 機械工程與力學學院，浙江 寧波315211)

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工程陶瓷加工表面臨界條件的研究*

馬廉潔1,2,王華2,顧立晨2,單泉2,楊建宇1,于愛兵3

(1.東北大學 機械工程與自動化學院，遼寧 沈陽110819; 2.東北大學秦皇島分校 控制工程學院，河北 秦皇島 066004；3.寧波大學 機械工程與力學學院，浙江 寧波315211)

摘要：研究了工程陶瓷磨削加工時的未變形切屑厚度模型，陶瓷加工時材料去除形式分為延性域去除、延脆性域去除和脆性域去除等3種，并通過引進延性域系數η0、延脆性域系數η1，建立了延脆性域2個臨界磨削深度模型。利用微晶玻璃陶瓷展開磨削試驗，得到了工程陶瓷加工表面粗糙度與磨削速度、磨削深度、工件進給速度及未變形切屑厚度的關系，進而得出工程陶瓷加工表面臨界條件的規律，并給出了所提出的相關系數和微晶玻璃陶瓷延脆性域2個臨界磨削深度，為工程陶瓷加工表面成形機理的研究提供了一定的參考。

關鍵詞：工程陶瓷；延脆性域；未變形切屑厚度；臨界磨削深度

磨削是陶瓷加工的主要手段之一，但陶瓷的硬脆性特點使其表面加工質量難以保證；因此，工程陶瓷加工表面臨界條件成為國內外學者的研究熱點。

S. Agarwal等[1]建立了硬脆材料磨削中未變形切屑厚度的模型，并進行了試驗驗證。T. G. Bifano等[2]指出只有當磨削深度小于臨界磨削深度時，脆性材料才會實現延性域磨削。微晶玻璃是一種新型工程陶瓷,目前針對微晶玻璃臨界磨削條件的研究較少，本文以微晶玻璃陶瓷磨削后表面粗糙度為研究對象，分析工程陶瓷臨界磨削深度模型。

責任編輯馬彤

1工程陶瓷臨界磨削深度建模

1.1最大未變形切屑厚度

磨削過程中最大未變形切屑厚度表示為[3]：

(1)

式中，hm為最大未變形切屑厚度；Nd為單位面積有效磨粒數；θ為磨粒錐頂半角；vw為工件進給速度；vs為磨削速度；ag為磨削深度；ds為砂輪直徑。

式1是在假設磨屑截面為三角形的前提下得到的，存在一定的局限性，實際磨削過程會受到磨粒和磨屑形狀等因素的影響，現引入變量Mr來表征磨削過程中磨屑形狀等各因素的綜合影響，改進后的最大未變形切屑厚度模型為：

(2)

1.2臨界磨削深度模型

1989年，T. G. Bifano建立了脆性材料臨界磨削深度模型(見式3)。對應的單個磨粒幾何模型如圖1所示。

(3)

式中，hc為臨界磨削深度；Kd為動態變化系數；KIC為斷裂韌度；E為材料彈性模量；H為顯微硬度。

圖1　單顆磨粒臨界磨削深度幾何模型

當前學者普遍認為，硬脆材料斷裂過程是由延性域直接過渡到脆性域；但在實際磨削中，受到工藝參數、磨粒特性等因素的影響，存在由延性域到脆性域的過渡區域——延脆性域。現對Bifano臨界磨削深度模型進行改進，工程陶瓷延脆性域的2個臨界磨削深度hc0、hc1如下：

(4)

(5)

式中，η0與η1分別為延性域系數與延脆性域系數，具體數值需要在試驗數據的基礎上分析計算得到。

2試驗

試驗采用MK9025型光學曲線磨床及專用夾具(見圖2)。采用陶瓷結合劑金剛石砂輪,其直徑為180 mm，單位面積有效磨粒數為2×106個。

圖2　試驗設備

為研究工程陶瓷加工表面成形機理，在綜合考慮微晶玻璃磨削臨界條件范圍的基礎上制訂了試驗方案(見表1)。

表1　微晶玻璃試驗方案

3結果與討論

3.1材料去除形式

金剛石砂輪磨削微晶玻璃陶瓷的試驗結果表明，加工參數會顯著影響磨削后表面粗糙度Ra，其中Ra最小值為0.124 μm，最大值為1.356 μm。

部分微晶玻璃磨削試驗對應的表面形貌如圖3所示，具有3種材料去除形式，分別為延性去除、延脆性去除和脆性去除。不同材料去除形式下磨削后得到的表面粗糙度存在較大差異。

圖3　部分微晶玻璃磨削試驗表面形貌

3.2表面粗糙度

表面粗糙度Ra是一個能較好地衡量微晶玻璃陶瓷磨削加工表面材料去除形式的參數。加工參數對表面粗糙度Ra的影響規律如圖4所示。表面粗糙度隨砂輪線速度的增大而減小，因為單位時間內砂輪上參與磨削的磨粒數增多；磨削深度對表面粗糙度的影響相對復雜，開始時磨削深度的增大使表面粗糙度上升，達到臨界切深后，磨削深度的繼續增大會使表面粗糙度降低；表面粗糙度隨工件進給速度的增大而減小，因為工件進給速度越小，單位時間內砂輪上與工件接觸的磨粒數越多。

圖4　加工參數對表面粗糙度的影響

3.3臨界條件

圖5為試驗中得到的表面粗糙度Ra和最大未變形切屑厚度hm的關系圖。將檢測結果代入最大未變形切屑厚度模型(式1)及延脆性域臨界磨削條件模型(式4和式5)，分析計算得：Mr=0.586 6,η0=0.881,η1=1.196,hc0=140.97 nm,hc=160 nm,hc1=191.3 nm。這為實際加工中實現陶瓷材料的延性域加工提供了參考。

圖5　微晶玻璃陶瓷臨界磨削條件

4結語

通過上述研究，得到如下結論。

1)通過試驗分析了影響工程陶瓷加工表面粗糙度的因素。在實際加工中，可通過適當提高砂輪線速度、減小工件進給速度來降低表面粗糙度，進而提高表面加工質量。

2)提出了硬脆材料延性去除、延脆性去除和脆性去除等3種材料去除方式，并引入了未變形切屑厚度相關系數Mr、延性域系數η0和延脆性域系數η1，建立了未變形切屑厚度模型和延脆性域的2個臨界磨削深度模型。

3)得到了表面粗糙度和最大未變形切屑厚度的關系圖。目前，對表面粗糙度和最大未變形切屑厚度相關性的研究較少，從而為今后該方面的研究提供了參考。

參考文獻

[1] Agarwal S, Venkateswara R P. Predictive modeling of undeformed chip thickness in ceramic grinding[J].International Journal of Machine Tools & Manufacture，2012,56:59-68.

[2] Bifano T G, Dow T A, Scattergood R O. Ductile-regime grinding, a new technology for machining brittle materials[J]. ASME Journal of Engineering for Industry, 1991,11(3):184-189.

[3] Malkin S. Grinding technology theory and applications of machining with abrasives[M].New York: Industrial Press Inc.,2008.

責任編輯馬彤

Study on the Surface Critical Conditions of Engineering Ceramics

MA Lianjie1,2, WANG Hua2, GU Lichen2, SHAN Quan2, YANG Jianyu1, YU Aibing3

(1.School of Mechanical Engineering and Automation, Northeastern University, Shenyang 110819， China;2.School of Control Engineering, Northeastern University at Qinhuangdao, Qinhuangdao 066004， China;3. Ningbo University, Faculty of Mechanical Engineering and Mechanics, Ningbo 315211， China)

Abstract：The undeformed chip thickness model of engineering ceramics is improved, and it is pointed out that the removal domains of ceramics grinding can be divided into the ductile region, the ductile brittle region, and the brittle region. The model of the two critical grinding depth is established by introducing ductile regime coefficient η0 and the ductile-brittle regime coefficient η1. The relationship among surface roughness of engineering ceramics and grinding speed, grinding depth, feed rate of the workpiece, undeformed chip thickness is obtained by analysing the grinding experimental results of glass ceramics. Then the critical conditions of engineering ceramics are acquired. Finally, the correlative coefficients and two critical grinding depth of ductile-brittle regime of glass ceramics are given. The results offer some reference for the research on the surface forming mechanism of engineering ceramics.

Key words:engineering ceramics， brittle region， undeformed chip thickness， critical grinding depth

收稿日期：2015-12-08

作者簡介：馬廉潔(1970-),男,教授,博士生導師，主要從事硬脆材料加工理論與技術、仿生制造技術等方面的研究。

中圖分類號：TG 580

文獻標志碼:A

* 國家自然科學基金資助項目(51275083)