張東坤 李長(zhǎng)河

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工程陶瓷磨削力的影響因素研究*

張東坤 李長(zhǎng)河

(青島理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 山東青島 266033)

磨削力是反映磨削過(guò)程的重要參數(shù)，磨削力與被磨材料的性能和顯微結(jié)構(gòu)、磨削用量、砂輪特性以及材料去除機(jī)制等有著密切關(guān)系。從陶瓷磨削模型和工程陶瓷材料磨削過(guò)程中的材料去除機(jī)制出發(fā)，分析了陶瓷磨削過(guò)程，研究了磨削力的形成，分析了磨削力的特點(diǎn)，并從磨削力的影響因素出發(fā)，分別研究了陶瓷材料性能、磨削方向、砂輪磨削速度、工件速度、磨削深度和砂輪粒度對(duì)磨削力的影響，對(duì)陶瓷磨削理論有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。

工程陶瓷 磨削機(jī)制 磨削力 影響因素

隨著科學(xué)技術(shù)，特別是能源、空間技術(shù)的發(fā)展，工程陶瓷以其獨(dú)特的分子構(gòu)成而具有許多優(yōu)良的物理、化學(xué)、機(jī)械性能，以高強(qiáng)度、低膨脹率、耐磨損及化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)越的性能受到了廣泛的關(guān)注，在航空航天、化工、軍事、機(jī)械、電子等領(lǐng)域的應(yīng)用前景十分廣闊。工程陶瓷材料是由粉末狀原料制造成型后在高溫下燒結(jié)而成，工程陶瓷作為一種典型的硬脆材料，其難加工性限制了對(duì)其進(jìn)一步的推廣應(yīng)用。目前，對(duì)工程陶瓷精密加工比較有效地方法是采用金剛石砂輪磨削法。磨削加工是高速旋轉(zhuǎn)砂輪對(duì)材料表面進(jìn)行擠壓，通過(guò)塑性變形或脆性斷裂產(chǎn)生磨屑，從而形成新的表面。但工程陶瓷的磨削機(jī)制和磨削過(guò)程與金屬及其它材料明顯不同。磨削力源于工件與砂輪接觸后引起的彈塑性變形、切屑形成以及磨粒和結(jié)合劑與工件表面之間的摩擦作用，與被磨材料的性能和顯微結(jié)構(gòu)、磨削用量、砂輪特性以及材料去除機(jī)制等有著密切關(guān)系。磨削力的大小影響磨削系統(tǒng)的變形，是產(chǎn)生磨削熱及磨削振動(dòng)的主要原因，直接影響到加工工件的最終表面質(zhì)量和尺寸精度。磨削力反映了磨削過(guò)程的基本特征，可以說(shuō)磨削力幾乎與所有磨削參數(shù)有關(guān)系，是評(píng)價(jià)材料磨削性能的一個(gè)重要指標(biāo)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)磨削力進(jìn)行了系統(tǒng)的理論分析與試驗(yàn)研究。湖南大學(xué)鄧朝暉等人研究了陶瓷磨削的材料去除機(jī)制[1]；天津大學(xué)林濱等人研究了陶瓷材料延性域去除磨削機(jī)制[2]；解放軍裝甲兵學(xué)院田欣利等人應(yīng)用壓痕斷裂力學(xué)分析陶瓷材料的磨削加工性及陶瓷表面殘余應(yīng)力；王長(zhǎng)瓊等人對(duì)工程陶瓷在金剛石砂輪磨削過(guò)程中的磨削力進(jìn)行了詳細(xì)的試驗(yàn)研究，分析了不同因素對(duì)磨削力及磨削效果的影響，建立了陶瓷磨削力的經(jīng)驗(yàn)公式。從經(jīng)驗(yàn)公式中可知，陶瓷的磨削力與砂輪橫向進(jìn)給量關(guān)系最大，其次是砂輪磨深的影響，而工件往復(fù)速度對(duì)磨削力無(wú)明顯影響。同時(shí)得出陶瓷材料不適合進(jìn)行緩進(jìn)給、大切深的高效深磨[3]。楊海等研究了陶瓷磨削的磨屑形成機(jī)制，建立了以裂紋的產(chǎn)生與發(fā)展為基礎(chǔ)的工程陶瓷材料的磨削模型，橫向裂紋是材料被破壞的主要因素，推導(dǎo)了陶瓷磨削的磨削力與材料去除率的關(guān)系式[4]。姚春燕等研究了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的回歸分析及其在磨削力預(yù)測(cè)中的應(yīng)用?；谌斯ど窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)的一元回歸和多元回歸分析方法，并分別以正弦函數(shù)及磨削力公式為例，與傳統(tǒng)的回歸分析方法進(jìn)行比較，試驗(yàn)表明基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的回歸分析在回歸精度上優(yōu)于傳統(tǒng)回歸分析方法[5]。Kuang-Hua Fuh和Shuh—Bin Wang等人用改進(jìn)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模，預(yù)測(cè)了緩進(jìn)給磨削中磨削力的情況，最終結(jié)果表明其收斂性相當(dāng)好，誤差在3％左右[6,7]。山東大學(xué)建立了工程陶瓷加工性能預(yù)測(cè)及加工參數(shù)優(yōu)化仿真系統(tǒng)，建立的工程陶瓷加工性能預(yù)測(cè)模型，不僅適合于穩(wěn)定加工區(qū)的加工參數(shù)，而且適合于不穩(wěn)定加工取得加工參數(shù)。預(yù)測(cè)模型對(duì)工程陶瓷性能預(yù)測(cè)的誤差為8.6％，使用由優(yōu)化模型選取的工藝參數(shù)進(jìn)行了工藝驗(yàn)證，結(jié)果證明工程陶瓷加工的總體性能有提高[8]。Chisato Tsutsumi和I.Inasaki等人深入研究了陶瓷材料的高效深磨磨削機(jī)制[9,10]；S.Malkin等人分析了陶瓷材料磨削時(shí)產(chǎn)生的磨削力[11]；B.R.Lawn等人針對(duì)陶瓷材料磨削建立了壓痕區(qū)域斷裂模型[12]。國(guó)內(nèi)外眾多專家學(xué)者[13-17]紛紛開(kāi)始關(guān)注陶瓷磨削加工，由此表明在機(jī)械加工領(lǐng)域中陶瓷磨削的重要性。

1 工程陶瓷磨削機(jī)制

工程陶瓷磨削過(guò)程中的材料去除機(jī)制一般有脆性斷裂、粉末化去除和延性域去除3種方式。

1.1 脆性去除機(jī)制

在陶瓷磨削中的材料脆性去除方式主要有以下幾種：晶粒去除、材料剝落、脆性斷裂、晶界微破碎等。在晶粒去除過(guò)程中，材料是以整個(gè)晶粒從工件表面上脫落方式被去除的，通常伴有材料剝落去除方式。材料剝落去除方式是陶瓷材料在磨削中十分重要的去除機(jī)制，由于材料在磨削過(guò)程中所產(chǎn)生的橫向和徑向裂紋后的擴(kuò)展而形成局部剝落塊被去除，在該方式下產(chǎn)生的裂紋擴(kuò)展會(huì)大大降低工件的機(jī)械強(qiáng)度。除了橫向裂紋斷裂方式外，材料脆性去除還和破碎有關(guān)。磨粒前端和下面的材料破碎是表面圓周應(yīng)力和剪切應(yīng)力分布引起的各種形式破壞的結(jié)果。

1.2 粉末化去除機(jī)制

材料的粉末化去除是指當(dāng)磨削深度在亞微米級(jí)時(shí)，不會(huì)發(fā)生碎裂和破碎機(jī)制，此時(shí)主要可能發(fā)生材料粉末化現(xiàn)象。材料粉末機(jī)制是由在磨削過(guò)程中的磨粒引起的流體靜態(tài)壓應(yīng)力包圍的局部剪切應(yīng)力場(chǎng)所引起的晶界或晶間微破碎的結(jié)果，陶瓷材料晶粒因粉末化去除被碎裂成更細(xì)的晶粒，并形成粉末域。研究發(fā)現(xiàn)這種由于復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)引起的微破碎使被粉碎的材料與主體材料相比結(jié)合比較松散，可通過(guò)在接觸區(qū)的磨粒與工件接觸面處施加流體靜壓力使其重新緊密結(jié)合。當(dāng)砂輪切深小于臨界值時(shí)，陶瓷材料只會(huì)發(fā)生粉碎而無(wú)宏觀斷裂。在單刃磨削中，材料橫向滾動(dòng)形成堆積，切深越小堆積系數(shù)越大。

1.3 延性域去除機(jī)制

延性域去除方式則類似于金屬材料磨削中的切屑形成過(guò)程，涉及到磨粒的滑擦、耕犁和切屑形成過(guò)程。材料是以剪切變形方式去除的，在一定的加工條件下，任何脆性材料都能夠以塑性流動(dòng)的方式被去除。壓痕斷裂力學(xué)模型預(yù)測(cè)了產(chǎn)生橫向裂紋臨界載荷，在低于這一臨界載荷加工條件時(shí)，材料去除將以延性域去除為主。T.GBifano等人從能量的角度進(jìn)行分析，也得出了同樣的結(jié)論。

2 磨削力的形成機(jī)制及特點(diǎn)

2.1 磨削力的產(chǎn)生

磨削力主要是由切削力和摩擦力兩部分組成的。磨削力經(jīng)驗(yàn)公式大都是以磨削參數(shù)的冪指數(shù)函數(shù)形式來(lái)表達(dá)的，如公式(1)所示。不同的經(jīng)驗(yàn)公式，各個(gè)參數(shù)的指數(shù)值略有不同。

式(1)中，C為比例常數(shù)；w為砂輪擺動(dòng)速度；v為進(jìn)給速度；p為切深。

2.2 工程陶瓷磨削力的特點(diǎn)

以砂輪磨削速度s=14.06 m/s、砂輪擺動(dòng)速度w=1 032 mm/min、磨削深度p=30 μm的磨削用量磨削Si3N4基和A12O3基陶瓷，其磨削力如圖1所示，陶瓷磨削力有如下的特點(diǎn)。

圖1 工程陶瓷磨削力的比較

2.2.1 磨削力n、t

通常認(rèn)為陶瓷的硬度很高，法向磨削力和切向磨削力應(yīng)該很大。經(jīng)試驗(yàn)表明，陶瓷的法向磨削力并不是很大，切向磨削力也很小，如圖1所示。其中，斷裂韌性較大的Si3N4基陶瓷的單位法向磨削力為8.33 N/mm，而硬度較大、韌性較差的A12O3基陶瓷的單位法向磨削力僅為1.73 N/mm，這說(shuō)明工程陶瓷法向磨削力的大小不僅與被磨削材料的硬度有關(guān)，更主要取決于被磨材料的斷裂韌性和磨削特征。

2.2.2 磨削力比n／t

磨削力和磨削力比是評(píng)價(jià)材料可磨削性的重要指標(biāo)。與金屬磨削過(guò)程相比，陶瓷磨削力的顯著特點(diǎn)是磨削力比很大，即法向磨削力明顯大于切向磨削力，這說(shuō)明了金剛石磨料難以切入陶瓷表面，同時(shí)也證明陶瓷被磨削時(shí)主要靠脆性破壞達(dá)到去除目的，而剪切作用很小。由圖3可以看出，Si3N4基陶瓷和A12O3基陶瓷的切向磨削力很小，分別為0.67 N/mm和0.5 N/mm，因此兩種陶瓷的磨削力比都很大。其中，Si3N4基陶瓷的磨削力比較大，達(dá)到了12.5 N/mm，這是因?yàn)镾i3N4基陶瓷的磨削層材料在砂輪磨粒的作用下，產(chǎn)生了類似壓痕硬化的現(xiàn)象。A12O3基陶瓷的力比較小，也達(dá)到了3.45 N/mm。陶瓷磨削力比比較大是陶瓷磨削中的普遍現(xiàn)象，這說(shuō)明陶瓷磨削過(guò)程以具有壓痕特征的摩擦耕犁為主，切屑變形很少發(fā)生。

2.2.3 比磨削能

比磨削能是磨削理論中的重要概念，它和切向磨削力的關(guān)系十分密切，其值可用以下公式計(jì)算。

式(2)中，a為實(shí)際切深；t為切向磨削力；s為磨削寬度；s為砂輪速度；w為工件速度。

在工程陶瓷磨削過(guò)程中，磨削能主要包括兩部分：一部分是工件塑性變形產(chǎn)生的剪切能，另一部分是在磨屑形成過(guò)程中磨粒和切屑之間的摩擦功。其中滑擦和耕犁部分所需的磨削能隨著磨削參數(shù)的不同而變化，切屑形成能卻基本穩(wěn)定[6]。根據(jù)公式(2)計(jì)算出陶瓷的磨削比能，如Si3N4的磨削比能為77.85 J/mm3、Al2O3的磨削比能為136 J/mm3。由此可知，Si3N4基陶瓷和A12O3基陶瓷的磨削比能并不大。

3 磨削力的影響因素

3.1 陶瓷材料性能對(duì)磨削力的影響

結(jié)構(gòu)陶瓷的磨削過(guò)程可分為顯微塑性變形為主和以脆性脫落為主兩種類型。磨削過(guò)程的特征類型取決于由材料顯微硬度及斷裂韌性所確定的磨粒臨界切削厚度gc與由磨削用量確定的磨粒最大切削厚度gm的相對(duì)大小。當(dāng)gc>gm時(shí)，磨削過(guò)程主要以顯微塑變?yōu)橹鳎划?dāng)gc

3.2 磨削方向?qū)δハ髁Φ挠绊?/p>

在平面磨削過(guò)程中，有順磨和逆磨兩種加工方式，順磨時(shí)的磨削力總比逆磨時(shí)大。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于切向磨削力t，順磨比逆磨平均大8%，最大的可達(dá)20%。對(duì)于法向磨削力n，順磨比逆磨平均大7%，最大的也達(dá)20%。順磨時(shí)磨削區(qū)的溫度比逆磨時(shí)高。一般來(lái)說(shuō)，順磨時(shí)的磨削區(qū)溫度比逆磨時(shí)的溫度平均高13%，最大差值可高達(dá)30%。順磨和逆磨的整個(gè)切屑形成在機(jī)制上有很大的不同，逆磨的磨削過(guò)程一般要經(jīng)過(guò)滑擦、犁耕、切削三個(gè)階段，而順磨就不一定經(jīng)過(guò)這三個(gè)階段，一般只經(jīng)過(guò)犁耕、切削兩個(gè)階段，甚至磨粒一進(jìn)入磨削區(qū)就開(kāi)始切削。為保證較高的加工質(zhì)量，在最后精磨平面時(shí)，可采用逆磨的加工方式。通過(guò)試驗(yàn)得出，逆磨的表面粗糙度明顯減小，而逆磨時(shí)磨削力的值也比順磨時(shí)大(約大13.87％)，這就說(shuō)明采用逆磨的磨削方式磨削效果更好。

3.3 砂輪線速度s對(duì)磨削力的影響

隨著砂輪線速度的增大，法向磨削力和切向磨削力均減小，但趨勢(shì)逐漸變緩。通過(guò)分析在不同轉(zhuǎn)速條件下磨削力的平均值的大小，可以確定砂輪線速度是否對(duì)磨削力產(chǎn)生影響。如圖2所示。

圖2 砂輪線速度對(duì)磨削力的影響

試驗(yàn)結(jié)果表明，在加工過(guò)程中，隨著砂輪線速度的增加，磨削力逐漸變小，一方面使磨粒的實(shí)際切削厚度減小，降低了磨粒上的磨削力；另一方面產(chǎn)生高溫，提高了陶瓷材料的斷裂韌性，增加了塑性變形。因此，適當(dāng)?shù)卦龃笊拜喚€速度，既可以增強(qiáng)砂輪的自銳能力，獲得較高的去除率，又可以增加塑性變形，改善工件的表面質(zhì)量。但是，砂輪線速度不能太大或太小，太大會(huì)增大砂輪的熱磨損，引起砂輪粘結(jié)顆粒的脫落，并且還會(huì)引起磨削系統(tǒng)的振動(dòng)，增大加工誤差；太小則會(huì)增大每個(gè)切削刃上的切深，導(dǎo)致磨粒碎裂和脫落。

3.4 工件速度w對(duì)磨削力的影響

隨著工作臺(tái)進(jìn)給速度的增大，法向磨削力和切向磨削力都相應(yīng)地增大；隨著工件速度的增大，法向磨削力和切向磨削力均增大，但趨勢(shì)逐漸變緩。其中較大的工件速度下的磨削力總的來(lái)說(shuō)增加幅度較小，力比及比磨削能均減小，比磨削剛度增大。

在一定條件下加工Al2O3和Si3N4時(shí)，隨著工件速度的提高，磨削力有明顯的增長(zhǎng)。當(dāng)繼續(xù)增大工件速度時(shí)，由于磨粒實(shí)際切削厚度增大，脆性剝落增多，磨削力減小，如圖3所示。

圖3 進(jìn)給速度對(duì)磨削力的影響

3.5 磨削深度p對(duì)磨削力的影響

研究表明，法向磨削力與磨削砂輪的實(shí)際切深存在以下關(guān)系：

式(3)中，C為由磨削條件所決定的常數(shù)；0為當(dāng)a為零時(shí)的值；a為實(shí)際切深。

從式(3)中看到，當(dāng)增大磨削深度時(shí)，磨削力和力比均變大；當(dāng)磨削深度很微小時(shí)，由于陶瓷發(fā)生顯微塑性變形，磨削力很小。增大磨削深度，使得參加磨削的有效磨粒數(shù)增多，同時(shí)接觸弧長(zhǎng)增大，磨削力將會(huì)呈線性增加。當(dāng)達(dá)到臨界切深時(shí)，脆性斷裂出現(xiàn)，磨削力有所下降，并不斷波動(dòng)。這表明了絕大多數(shù)陶瓷材料的去除是脆性斷裂作用，而磨削力主要是隨塑性變形而增大的。因此，要獲得較高精度的陶瓷磨削件，應(yīng)選擇較小的切深，使其小于臨界切深，使陶瓷表面有更多的塑性變形被去除。

3.6 砂輪粒度對(duì)磨削力的影響

由于砂輪直接參與磨削，因此磨削砂輪的顆粒尺寸及粘結(jié)類型對(duì)磨削過(guò)程有著重要的影響。在相同磨削條件下，隨著磨粒尺寸的增大，砂輪磨削刃的密度減小，法向磨削力減小，磨削件的表面粗糙度隨之增大。通過(guò)分析不同粒度在砂輪加工過(guò)程中磨削力平均值的大小，分析砂輪粒度是否對(duì)磨削力產(chǎn)生影響。如圖4所示分別為對(duì)ZrO2、Si3N4和Al2O3三種材料所做的磨削力試驗(yàn)。

圖4 砂輪粒度對(duì)磨削力的影響

從試驗(yàn)結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)砂輪的粒度增大時(shí)，磨削力減小。由此可以得出結(jié)論，砂輪的粒度越小，磨削效率越低，磨削過(guò)程中的磨削力越大。Bi Zhang等指出，當(dāng)磨粒尺寸及其他磨削條件相同時(shí)，采用金屬粘結(jié)的金剛石砂輪比用陶瓷粘結(jié)的金剛石砂輪可以獲得更小的磨削力和更高的去除率。

4 結(jié)語(yǔ)

磨削力是工程陶瓷磨削加工中的主要參數(shù)，它與工程陶瓷的磨削機(jī)制、陶瓷材料的纖維結(jié)構(gòu)及性能、磨削用量的選用都有著密切的關(guān)系，同時(shí)也是評(píng)價(jià)材料可磨削性優(yōu)劣的一個(gè)重要指標(biāo)。

陶瓷材料的不同對(duì)法向磨削力有較大的差異，雖然切向力變化不明顯，但磨削力比還是增大的。

為保證較高的加工質(zhì)量，經(jīng)試驗(yàn)后得出：

(1)逆磨時(shí)表面粗糙度明顯減小，而磨削力的值比順磨時(shí)大13.87%，所以逆磨的磨削方式磨削效果更好。

(2)增大砂輪線速度，法向磨削力和切向磨削力均會(huì)減小，適當(dāng)?shù)卦龃笊拜喚€速度可以改善工件的表面質(zhì)量又能增強(qiáng)砂輪的自銳能力。

(3)隨著工件速度的增大，法向磨削力和切向磨削力均會(huì)增大，但趨勢(shì)在逐漸變緩。

(4)增大磨削深度，磨削力將會(huì)呈線性增加。當(dāng)磨削深度達(dá)到臨界切深時(shí)，磨削力有所下降，并不斷發(fā)生波動(dòng)。

(5)當(dāng)砂輪的粒度增大時(shí)，磨削力減小。證明砂輪的粒度越小，磨削效率越低，在磨削過(guò)程中的磨削力越大。

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* 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(項(xiàng)目編號(hào)：51175276)