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提高陶瓷材料的磨削效率

提高陶瓷材料的磨削效率 2011： 采用金刚石磨盘和加注研磨油对氮化硅陶瓷和氧化铝陶瓷材料进行圆周平磨，仍具有很大的发展潜力。因此，各项研究的目的便是在顾及材料特性的前提下继续提高磨削工艺的效率。采用作为切割材料的高效陶瓷材料，在特定的应用领域里可以成为常规钢材或硬金属材料的替代产品。尤其在高效切割场合，可以因切割和进给速度加快而达到较高的时间/容量比值，从而极大提高了生产效率。虽然陶瓷材料具备优越的特性（如优良的高温硬度、耐磨和耐腐蚀特性），但是由于其制造成本和维护成本很高，因此人们经常放弃对陶瓷材料的使用。在磨削作业中注意陶瓷材料的特性由于陶瓷材料的特性（诸如很高的硬度、脆性、热振动敏感性等），在加工过程中需要特别小心。与硬金属不同，陶瓷材料因其脆性大，不太具备通过塑性变形来打磨出现的尖部部位。因此，加工作业往往要顾及到这种缺失的可塑特性。在磨削加工陶瓷材料时，由合成树脂粘合的金刚石磨盘由于其硬度高，从而表现突出。采用合成树脂粘合剂，可以实现相对较小的加工力，降低磨盘的磨损程度，使工件达到较好的表面质量和外形精度。但是，合成树脂粘合的磨盘由于导热性能差，因此在磨削流程中，会出现很高的温度。

研究表明，由合成树脂粘合的颗粒度为D64和密度为C100的金刚石磨盘可以达到较小的粗糙系数和较好的表面质量

陶瓷粘合则不同。由于它具有较好的孔隙性，因此在磨削过程中可以实现较低的温度。通常它也具备较高的有效硬度。研究工作的目的，是要在注意陶瓷材料的特性的前提下，提高磨削流程的效率。为了研究目的，使用了一种合成树脂粘合的和一种陶瓷粘合的金刚石磨盘，其颗粒度为D64，密度为C100，采用圆周平磨工艺，并在反方向上加注研磨油（图1）。所要探索的是，粘合类型的变动，究竟会对加工力和陶瓷材料表面质量带来多大的影响。考虑到简单的造型，采用了氮化硅陶瓷（Si3N4）和氧化铝陶瓷（Al2O3+ZrO2）的SNGN120408转位刀片，作为待加工的工件，用于此项基础性的研究活动，以获得简单的工艺流程动态机理和可重复的磨削过程。

图1 陶瓷转位刀片的圆周平磨试验构造

进给速度影响工艺流程中的磨削力在进给速度发生变化的系列试验中，采用三元件测力计对正常磨削力和磨削正切力进行了测定，以获得刀具负荷信息。图2所示在对氮化硅陶瓷材料和氧化铝陶瓷材料进行磨削加工时，磨削力与所使用的两种磨盘的进给速度的关系。从中可以看出总的关系，即进给速度提高，则流程磨削力也加大。随着进给速度加快，单位磨削时间的容积量也会自动加大，这是因为磨盘在更短的时间内即可磨掉相同容量的材料。与此相反，在采用陶瓷粘合方法时，流程磨削力要明显低于合成树脂粘合情况下的磨削力。其主要原因在于所采用的粘合材料的磨损机理各不相同。陶瓷粘合由于具备较好的孔隙性，因此比合成树脂优越。采用不同陶瓷材料进行的磨削加工的磨削力对比结果表明，在磨削氮化硅陶瓷时所出现的磨削力要大于磨削氧化铝陶瓷时的磨削力。不同陶瓷材质之间的磨削力数值差异的原因可以解释为是由于不同材料结构和不同物理特性所造成的。

图2 磨盘粘合类型对磨削力的影响

对工艺流程的结果可以通过工件的质量加以评定。对此可以利用粗糙系数、所测得的粗糙度和算术平均粗糙度等数值来进行。图3所示陶瓷工件磨削表面的表面系数变化与采用两种不同粘合类型磨盘的不同进给速度之间的关系。在磨削氮化硅陶瓷材料时，若进给速度加大，则所测得的粗糙系数就会略呈上升态势，这与磨削力基本对应。而在磨削氧化铝陶瓷材料时，即使有两种不同的进给速度，粗糙系数却相对稳定，但数值要比氮化硅陶瓷时高。这主要归结于不同的材料特性和不同的材料脱落机理。陶瓷材料的材料脱落可以贯穿从塑性变形直至纯粹脆断的整个过程。采用陶瓷粘合磨盘造成较差表面质量的主要原因在于前面所述的所用不同粘合材料的不同磨损机理。

图3 磨盘粘合类型对磨削工件表面质量的定量影响

研究结果表明，合成树脂粘合的粒度为D64、密度为C100的金刚石磨盘可以达到较小的粗糙系数和较好的表面质量。而陶瓷粘合的磨盘产生较小的磨削力，这明显降低了工件上的总的热力负荷程度。(end)

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