陶瓷切槽-推磨復合加工技術的軸向力測量與機理分析

田欣利， 雷　蕾， 王　龍， 楊緒啟， 楊理鈞

(裝甲兵工程學院裝備再制造技術國防科技重點實驗室， 北京 100072)

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陶瓷切槽-推磨復合加工技術的軸向力測量與機理分析

田欣利， 雷蕾， 王龍， 楊緒啟， 楊理鈞

(裝甲兵工程學院裝備再制造技術國防科技重點實驗室， 北京 100072)

通過與切槽-推擠復合加工技術進行對比，對切槽-推磨復合加工技術開展了試驗研究。通過測試不同凸緣厚度、凹槽深度、進給速度、砂輪轉速及工件轉速下的軸向力，得到了軸向力的變化規律。利用掃描電子顯微鏡(Sca-nning Electron Microscopy，SEM)觀察了氮化硅陶瓷試件切槽表面的微裂紋形貌。對2種技術的已加工表面形貌進行了對比觀察，結果表明：切槽-推磨復合加工機理以外力促使凸緣脆性斷裂為主，同時伴隨砂輪磨削殘余材料，且該方法要優于切槽-推擠復合加工技術。

工程陶瓷； 裂紋擴展； 軸向力

在氮化硅陶瓷加工過程中，傳統磨削技術應用較多且理論成熟，但仍然存在成本高、效率低等問題[1-2]。王望龍等[3]提出的切割-推擠式加工技術采用砂輪切槽，硬質合金刀具對切槽后產生的凸緣進行推擠，最后進行表面磨光。該方法材料去除率較高，對加工所需外界能量輸入要求較低，工具損耗較小。在上述研究基礎上，以推磨加工代替推擠和表面磨光2個步驟，形成了陶瓷切槽-推磨復合加工技術。

筆者通過對比切槽-推擠復合加工技術，對陶瓷切槽-推磨復合加工技術開展了系統研究。對2種加工方法的軸向力進行對比測量，對切槽后工件表面的微裂紋特征進行顯微觀察，對2種加工技術的加工后工件表面形貌進行對比。

1　實驗部分

1.1實驗原理和設備

采用BV-75立式加工中心作為測力實驗平臺。將氮化硅陶瓷試件裝夾在和調速電機輸出軸固定的三爪卡盤上；調速電機通過定制的輔助固定支架和測力儀連接。機床主軸可無級調速，有效轉速可達到10 000 r/min以上。

采用KISTLER公司的9272型測力儀實時測量軸向力信號。測量范圍設定為0～1 000 N，采樣頻率設定為10 kHz。軸向力測量系統如圖1所示。應用Quanta 200型掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscopy,SEM)觀察氧化硅陶瓷試件切槽表面的微裂紋形貌。

圖1　軸向力測量系統

1.2正交試驗設計

在軸向推擠過程中，設計了L25(54)正交試驗表，推擠實驗過程正交試驗的因素水平表如表1所示。在軸向推磨過程中，為了更好地與推擠加工結果進行對比，設計了L25(55)正交試驗表，推磨實驗過程正交試驗的因素水平表如表2所示。

表1　推擠實驗過程正交試驗的因素水平表

2　結果與分析

2.1正交試驗結果

由于是斷續加工，每加工一個凸緣時，將測得的最大波峰值視為該組試驗取值。

為減小誤差，在軸向推擠、推磨實驗過程中測得每3次試驗的平均值，分別記為F1、F2。直觀分析表如表3所示。

表4為方差分析表，其中：因素1代表推擠軸向力的數據分析結果；因素2代表推磨軸向力的數據分析結果。通過對2類實驗方差比F進行分析可知：軸向推擠實驗中凸緣厚度L、工件轉速M、進給速度V和凹槽深度D的影響依次減弱；軸向推磨實驗中凸緣厚度L、工件轉速M、進給速度V、砂輪轉速S和凹槽深度D的影響依次減弱。

表2　推磨實驗過程正交試驗的因素水平表

表3　直觀分析表

表4　方差分析表

2.2正交試驗結果分析

圖2為各參數組推擠和推磨加工測量值的比較。從圖2(a)可知：2類加工的軸向力均隨凸緣厚度的增加而增大。其原因為：當凸緣厚度較小時，啟裂區占凸緣截面的比例較大[4]，啟裂能較小，隨著凸緣厚度的增加，凸緣強度變大，抵抗砂輪沖擊的能力相應變強。

由圖2(b)可知：2類加工的軸向力均隨槽深的增加而減小,然而變化幅度較小。其原因為：隨著槽深的增加，凸緣表面所含預制裂紋的數量增多，缺陷對強度的影響相應增大，更易發生裂紋擴展[5]；由于砂輪在加工過程中始終靠近凹槽根部，因而力臂作用不明顯。

由圖2(c)可知：推磨軸向力隨著砂輪轉速的增加而減小。這是由于推磨加工是在無冷卻液作用條件下進行的，隨著砂輪轉速的增大，工件和砂輪接觸區溫度升高，在磨削熱的作用下，磨削表面的陶瓷材料開始變軟甚至局部熔化，此時只需很小的作用力就可產生很大的應力[6]。

從圖2(d)可知：推擠軸向力和推磨軸向力均隨工件轉速的增加而增大。其原因為：隨著工件轉速的增大，單位時間內的材料去除量增加，軸向力也隨之增大[7]。

由圖2(e)可知：2類加工的軸向力均隨進給速度的增加先快速增大，而后基本不變。其原因為：進給速度的增大促進了凸緣裂紋擴展，但當進給速度增大到臨界值時，凸緣裂紋來不及擴展就已斷開，故軸向力基本保持不變[8]。

圖2　各參數組推擠和推磨加工測量值的比較

由上述對比可知：在同等參數條件下，推磨軸向力要小于推擠軸向力。其原因為：在推磨加工時，一方面，磨粒磨削陶瓷材料不斷在工件表面制造出新的裂紋；另一方面，工件和砂輪接觸區溫度升高，在磨削熱的作用下，磨削表面的氮化硅陶瓷材料開始變軟甚至局部熔化，此時只需很小的作用力就可產生很大的應力。

3　裂紋源形貌

圖3為磨削后的表面形貌觀察。由于氮化硅陶瓷存在雜質和氣孔等固有缺陷，在拉應力作用下，這些固有缺陷繼續擴張形成裂紋源(如圖3(a)所示)，并以此為中心向四周發散形成裂紋。其裂紋的主要形式有：1)表面尺寸較小、向次表面延伸的徑向裂紋；2)尺寸較大、沿晶粒擴展的晶界間隙裂紋。表面的晶界間隙裂紋在擴展的過程中會出現潛藏擴展的現象[9](如圖3(b)所示)，即裂紋擴展過程中突然中斷，接著在后方又有裂紋繼續出現。這種現象并不是形成了新裂紋，而是原裂紋在表面傳遞時遇到細小顆粒的強化區，轉而從強化作用較弱的表面下方繞過后，重新回到原表面上繼續擴展[10]。

圖3　磨削后的表面形貌觀察

4　表面加工質量

圖4為已加工表面形貌對比。由圖4(a)可知：推擠加工表面形貌非常粗糙，凸緣加工破碎后表面殘留的溝坑凸起分布不均勻，無法直接應用，需二次磨削加工。由圖4(b)可知：推磨加工表面形貌較光整，通過對其進行表面粗糙度測量，得到其變化范圍為0.6～1.3，達到了普通磨削的水平。

圖4　已加工表面形貌對比

5　結論

1)氮化硅陶瓷內部的雜質和氣孔等在切槽加工中產生裂紋源，以裂紋源為中心向四周擴展形成徑向裂紋和晶界間隙裂紋等共同構成了陶瓷凸緣的預制缺陷，這些預制缺陷將在小砂輪推磨的外力作用下快速擴展實現材料去除。

2)推擠加工參數中凸緣厚度、工件轉速、進給速度和凹槽深度對軸向力的影響依次減弱；推磨加工參數中凸緣厚度、工件轉速、進給速度、砂輪轉速和凹槽深度對軸向力的影響依次減弱。

3)通過對軸向力和已加工表面形貌進行對比分析，證明了切槽-推磨加工技術要明顯優于切槽-推擠加工技術，且切槽-推磨加工機理為外力實現凸緣裂紋擴展和砂輪磨削去除殘余部分同時進行的過程。

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[10]Conway J C, Jr Kirchner H P. Crack Branching as a Mechanism of Crushing during Grinding[J]. J Am Ceram Soc,1986,69:603-607.

(責任編輯: 尚菲菲)

Axial Force Measurement and Mechanism Analysis of CompositeProcess Technology for Ceramic Grooving-grinding

TIAN Xin-li, LEI Lei, WANG Long, YANG Xu-qi, YANG Li-jun

(National Defense Key Laboratory for Remanufacturing Technology, Academy of Armored Forces Engineering, Beijing 100072, China)

Through comparing with the grooving-extruding process technology, an experimental scheme about grooving-grinding process technology is designed. By measuring axial force under different flange thickness, groove depth, feed rate, speed of grinding wheel and workpiece speed, the variation laws of axial force are found. The morphology of surface microcrack after grooving is observed by Scanning Electron Microscopy (SEM). The processed surface topography of both technologies is comparatively observed. The results show that the material is removed mainly as brittle fracture mode followed with grinding residual material. Grooving-grinding process technology is better than grooving-extruding process technology.

engineering ceramics; crack growth; axial force

1672-1497(2016)04-0083-05

2016-03-22

國家自然科學基金資助項目(51475474)

田欣利(1956-)，男，教授，博士。

TH145.1+1; TG580.699

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2016.04.016