[摘要]本文在總結(jié)現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，對工程陶瓷進(jìn)行了高效深磨的試驗(yàn)研究。詳細(xì)地分析了磨削參數(shù)如砂輪線速度、工件磨削深度、工作臺(tái)速度等對氧化鋁及部分穩(wěn)定氧化鋯兩種工程陶瓷材料高速高效磨削力的影響規(guī)律。
　　[關(guān)鍵詞]工程陶瓷；高效深磨；磨削力；試驗(yàn)研究
　　[中圖分類號(hào)]TG7
　　引言
　　經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，工程陶瓷因其優(yōu)越的使用性能，已被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域，尤其是在一些要求耐高溫、耐腐蝕和耐磨損的場合，陶瓷材料的應(yīng)用價(jià)值顯得越來越重要。陶瓷作為一種工程材料，具有高硬度、高抗壓強(qiáng)度、優(yōu)異的耐磨性和耐腐蝕性、高溫下強(qiáng)度保持不變以及低密度和低熱膨脹系數(shù)等特點(diǎn)。目前，它廣泛應(yīng)用于航空航天、化工、軍事、機(jī)械、電子電器以及精密制造等領(lǐng)域。陶瓷材料廣闊的應(yīng)用前景和復(fù)雜的加工特性，都要求對陶瓷的磨削加工過程進(jìn)行全面而深入的了解。目前各發(fā)達(dá)國家如德、日、美、英等國非常重視工程陶瓷的開發(fā)及應(yīng)用。80年代以來，各國競相投人大量的資金及人力，在陶瓷磨削的材料去除機(jī)理、磨削燒傷、磨削表面完整性的影響因素、不同磨削條件的最佳磨削參數(shù)等多方面都取得了積極的研究成果。
　　目前的陶瓷加工方法大多是采用金剛石砂輪進(jìn)行磨削加工。由于工程陶瓷的韌性不足，而且磨削時(shí)的抗力很大，加之優(yōu)良的耐磨性，從而造成工程陶瓷材料的切削加工性很差，生產(chǎn)效率低，產(chǎn)品成本高[1]。其次，由于陶瓷的硬脆性，加工中造成的表面和亞表面損傷往往會(huì)使得陶瓷元件的強(qiáng)度降低。因此，為了降低工程陶瓷材料加工成本，在得到滿足要求的磨削質(zhì)量的前提下獲得盡量高的磨除率，目前迫切需要對于工程陶瓷的各種磨削加工過程有更加深入的認(rèn)識(shí)。本文在當(dāng)前工程陶瓷的磨削理論研究基礎(chǔ)上，對陶瓷材料在高速高效磨削條件下的磨削力特征進(jìn)行了測量，找出不同磨削方案中陶瓷表現(xiàn)的磨削力變化趨勢。
　　一、 工程陶瓷的磨削機(jī)理
　　材料去除機(jī)理一般可分為脆性斷裂和塑性變形兩類，大多數(shù)的研究中都指出了材料脆性去除是陶瓷磨削中最常見到的去除方式[3]。
　　在脆性去除時(shí)，材料的去除是通過空隙和裂紋的形成和擴(kuò)展、脆性碎裂和脆性壓碎來實(shí)現(xiàn)的。陶瓷磨削中的材料脆性去除方式主要是指材料脆性碎裂去除和材料脆性壓碎去除等方式。材料脆性碎裂去除是陶瓷材料磨削中十分重要的去除機(jī)理，指因磨削過程中產(chǎn)生的橫向和徑向裂紋等宏觀裂紋的擴(kuò)展使材料碎裂來去除材料，使材料以整個(gè)晶粒從工件表面上脫落或發(fā)生材料的局部剝落。除了材料脆性去除方式外，材料去除還和材料脆性壓碎有關(guān)，磨粒前端和底面的材料壓碎可能是表面內(nèi)平面應(yīng)力和剪切應(yīng)力分布引起的各種形式破壞的結(jié)果，材料壓碎也可能是眾多磨粒作用下連續(xù)的裂紋分叉擴(kuò)展后的表現(xiàn)形式[5][6][7]。
　　除了橫向裂紋斷裂（剝落）方式外，材料脆性去除還和破碎（碎裂）有關(guān)。磨粒前端和其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。
　　二、 工程陶瓷的磨削力試驗(yàn)
　　2．1 材料選擇
　　工程陶瓷包含的種類很多，在性能上的差異也比較大，其中氧化鋁和部分穩(wěn)定氧化鋯（PSZ）是兩種常用的工程陶瓷。
　　兩種材料的具體性能見下表[2]。

                       
　　2．2試驗(yàn)設(shè)備及條件
　　試驗(yàn)在湖南大學(xué)國家高效磨削工程技術(shù)研究中心的超高速平面磨削實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要技術(shù)參數(shù)為：主軸功率40KW，最高轉(zhuǎn)速20000r/min，采用SBS4500動(dòng)平衡系統(tǒng)對砂輪進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)平衡；工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率5KW。
　　磨削過程中采用Kistler9257BA型壓電晶體測力儀實(shí)時(shí)測量磨削力。磨削力信號(hào)采樣用PCI6115型采集卡，最后所有測量的力信號(hào)均經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后送入PC機(jī)并用相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行處理與分析。試驗(yàn)中所用的磨削力測量系統(tǒng)的裝置示意圖如圖2所示。
　　                        
　　                                            圖1磨削力測量系統(tǒng)裝置示意圖
　　三、試驗(yàn)結(jié)果及分析
　　磨削力是磨削過程中最重要的物理量，它反映了磨削過程的基本特征，是評(píng)價(jià)材料可磨削性的一個(gè)重要指標(biāo)。磨削力與材料性能和顯微結(jié)構(gòu)、磨削用量、砂輪特性、材料去除機(jī)理等都有著密切關(guān)系[4]。
　　1、砂輪線速度對磨削力的影響
　　                               
　                                                                                        　圖2砂輪線速度對磨削力的影響
　　試驗(yàn)方案：工作臺(tái)進(jìn)給速度為2400mm/min，磨削深度0.5mm。
　　圖2顯示了隨砂輪線速度vs的變化，法向磨削力Fn和切向磨削Ft變化的情況。可以看出，五組試驗(yàn)中的Fn和Ft都隨vs的增大而單調(diào)減小。Fn的變化趨勢不如Ft顯著，而Ft的下降趨勢則在vs較大時(shí)變得緩慢。
　　2、工作臺(tái)速度對磨削力的影響
　　                                   
　                                                                   　圖3工作臺(tái)速度對磨削力的影響
　　試驗(yàn)方案：砂輪線速度為120m/s，磨削深度0.5mm。
　　隨工作臺(tái)速度vw的變化，法向、切向磨削力變化的情況如圖3所示。五組試驗(yàn)的Fn和Ft都隨vw的增大一直保持良好的趨勢單調(diào)上升，可見工作臺(tái)速度對磨削力尤其是法向磨削力Fn的影響程度較大。
　　3、切深對磨削力的影響
　　                               
　                                                                                       　圖4切深對單磨削力的影
　　試驗(yàn)方案：砂輪線速度為120m/s，工作臺(tái)進(jìn)給速度為2400mm/min。
　　切深ap的變化對磨削力的影響在圖4中體現(xiàn)。如圖所示，F(xiàn)n和Ft都隨ap的增大單調(diào)上升，其中切向磨削力Ft以比較緩慢的趨勢單調(diào)上升，而法向磨削力Fn隨切深ap的增加而上升的趨勢則比較顯著。增大切深，同時(shí)會(huì)增大有效磨粒數(shù)，有更多的磨粒與工件表面發(fā)生干涉，因此雖然每顆磨粒承受的載荷變化相對較小，但總的磨削力會(huì)顯著增加。
　　四、結(jié)論
　　1、在高效深磨條件下，磨削力隨工作臺(tái)進(jìn)給速度和切深的增加而增加，但卻隨砂輪線速度的上升而下降。
　　2、高效深磨條件下，磨削力受三種進(jìn)給量的影響都很大，但是對法向磨削力的影響大于切向磨削力，而對總磨削力的影響，切深的作用更大。
　　3、磨削氧化鋯時(shí)的磨削力比在相同條件下磨削氧化鋁要大很多，變化趨勢也更快，這都是由兩種材料不同的材料特性引起的。
　　
　　參考文獻(xiàn)
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　　[3]李伯民，趙波.現(xiàn)代磨削技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2003年1月
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　　[5]謝桂芝,黃紅武,黃含等.工程陶瓷材料高效深磨的試驗(yàn)研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2007,43(1):176-184.
　　[6]謝桂芝,黃含,盛曉敏等.工程陶瓷高效深磨磨削力和損傷的研究[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2008,35(5):26-30.
　　[7]周志雄,熊志慶.陶瓷材料磨削裂紋成因分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2005,5:108-109.