钎焊细粒度金刚石砂轮切割磨削先进陶瓷机理研究

论文摘要

先进陶瓷材料因其具有高硬度、高强度、高耐磨性和高耐腐蚀性等特性在尖端科学技术领域得到越来越广泛的应用。因为先进陶瓷脆性大,加工中容易崩碎、出现裂纹,影响其表面质量和使用性能。而切割加工作为先进陶瓷制品加工流程中的第一道工序,其加工质量对后面的磨削、研磨及抛光的效率和成本有着很大的影响。针对先进陶瓷切割过程中存在切割力大、金刚石砂轮磨损严重及加工效率低等问题,本课题研制了一种钎焊细粒度金刚石切割砂轮,并对其切割先进陶瓷的加工机理进行了研究。从工具改进及切割加工机理两方面着手解决先进陶瓷切割加工中的问题,为实现先进陶瓷高效精密切割提供理论和实验依据。研究中通过在薄切割砂轮基体上开槽并植入金刚石磨粒,采用钎焊的方式制备了一种钎焊切割砂轮。通过利用钎焊切割砂轮进行切割先进陶瓷的系列实验,从切割力、切割比能、工件表面分析等方面对先进陶瓷材料的切割机理进行了研究。研究中同时采用金属结合剂金刚石切割砂轮进行先进陶瓷切割,对比评价钎焊砂轮切割先进陶瓷的过程机理。研究结果表明,采用镍基钎料,将金刚石、钎料、粘结剂按一定比例混合直接植入到开有斜槽结构的马口铁基体上然后在真空炉里进行高温钎焊,可以成功制备出细粒度金刚石钎焊切割砂轮。但是由于真空钎焊过程温度较高,而且保温时间长,经过钎焊后薄切割砂轮基体刚性会受到一定程度影响,并最终降低钎焊金刚石砂轮的切割性能。在使用所制备的钎焊金刚石砂轮对先进陶瓷材料进行切割加工时,切割力随着砂轮线速度的提高而降低,随着工件进给速度、切深的增大而增大。通过先进陶瓷的切割力比的分析发现,在材料去除率较低时,氧化铝陶瓷的切割力比数值分布范围较广;随着材料去除率的增加,切割力比逐渐增大且趋于平稳。氮化硅陶瓷的切割力比数值则是随着材料去除率的增加而逐渐降低。当材料去除率较高时,氧化铝陶瓷的切割力比较大。先进陶瓷切割过程中材料以脆性断裂和塑性变形两种方式去除,其切割能量主要消耗于金刚石砂轮与工件间的滑擦、耕犁。氮化硅陶瓷因其韧性大,切割过程材料以塑性变形方式去除为主,切割过程中磨粒与工件的滑擦与耕犁能消耗大;而氧化铝陶瓷材料是以脆性断裂去除为主,消耗于滑擦、耕犁的能量少,故其切割比能小于氮化硅陶瓷。研究中还利用金属结合剂切割砂轮进行先进陶瓷材料切割,对比分析钎焊切割砂轮的磨削机理,因为所制备的钎焊切割砂轮属于断续砂轮,而且砂轮表面上的金刚石岀露高、容屑空间大，砂轮不易堵塞；切割过程中切削液更易进入弧区带走切屑,减小了砂轮、切屑及工件间的摩擦,使得钎焊金刚石砂轮切割先进陶瓷的比能小于金属结合剂切割砂轮。通过先进陶瓷切缝表面微观分析,钎焊金刚石切割砂轮的断续结构造成先进陶瓷切割加工过程中切缝上材料会更多地以脆性崩碎方式去除,而且相对较弱的基体刚性及平整度也会造成切割过程中钎焊切割砂轮振动,加剧了砂轮与工件的撞击,所以利用该砂轮加工后的先进陶瓷切缝侧面的表面粗糙度大,切缝也较宽。尤其是对于致密度较高的氮化硅陶瓷,切割过程中砂轮断续结构和振动的冲击更易导致产生较深的裂纹扩展,出现较大的切缝崩边,所以其切割加工后的表面粗糙度、切缝宽度都要大于比氧化铝陶瓷。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 先进陶瓷材料及其加工特性
• 1.2 先进陶瓷切割加工的研究现状
• 1.2.1 先进陶瓷材料切割加工用砂轮的研究现状
• 1.2.2 先进陶瓷磨削加工机理的研究现状
• 1.3 课题的目的
• 1.4 本课题的研究内容及方法
• 第二章 实验条件与实验内容
• 2.1 细粒度钎焊切割砂轮的制备
• 2.1.1 实验条件
• 2.1.2 制备工艺
• 2.2 细粒度钎焊切割砂轮的修整
• 2.3 细粒度钎焊切割砂轮的切割实验
• 2.3.1 实验装置与实验条件
• 2.3.2 细粒度钎焊切割砂轮切割先进陶瓷机理的实验研究
• 2.3.3 细粒度钎焊切割砂轮切割先进陶瓷的切割质量研究
• 2.4 两种不同结合剂切割砂轮切割氧化铝陶瓷的对比实验研究
• 2.4.1 实验装置及实验条件
• 2.4.2 实验内容
• 第三章 细粒度钎焊金刚石切割砂轮的制备
• 3.1 钎焊工具的特点及质量的影响因素
• 3.1.1 钎焊工具的特点
• 3.1.2 钎焊工具质量的影响因素
• 3.2 细粒度钎焊切割砂轮的制备
• 3.2 1 基体选择及结构
• 3.2.2 金刚石磨料植入方法
• 3.2.3 钎料的选择及钎焊温度确定
• 3.2.4 槽宽、齿宽及混料比例的确定
• 3.2.5 切割砂轮制作
• 3.3 切割砂轮基体平整度的校正
• 3.4 钎焊金刚石切割砂轮的修整
• 3.4.1 钎焊金刚石切割砂轮侧面修整
• 3.4.2 钎焊金刚石切割砂轮圆度修整
• 3.5 本章小结
• 第四章 钎焊金刚石砂轮切割先进陶瓷的切割力特征研究
• 4.1 切割力
• 4.1.1 切割力分析
• 4.1.2 加工参数对切割力的影响
• 4.1.3 材料去除率对切割力的影响
• 4.2 切割力比
• 4.3 单颗金刚石磨粒承受的载荷特征
• 4.3.1 单颗金刚石磨粒承受的法向载荷和切向载荷
• 4.3.2 单颗金刚石磨粒的最大切屑厚度
• 4.3.3 单颗金刚石磨粒承受的法向力fn 和切向力ft 随加工参数的变化特征
• 4.5 钎焊切割砂轮与金属结合剂切割砂轮切割先进陶瓷的切割力特征对比分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 钎焊金刚石砂轮切割先进陶瓷的切割比能特征研究
• 5.1 切割比能
• 5.2 钎焊切割砂轮切割陶瓷的切割比能研究
• 5.3 钎焊切割砂轮与金属结合剂切割砂轮切割氧化铝陶瓷的比能特征分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 钎焊切割砂轮加工先进陶瓷表面评价
• 6.1 钎焊金刚石切割砂轮加工先进切割陶瓷的表面分析
• 6.1.1 先进陶瓷的切割表面微观形貌
• 6.1.2 先进陶瓷切缝的表面粗糙度
• 6.2 钎焊切割砂轮切割先进陶瓷的崩边现象和切缝宽度
• 6.3 钎焊切割砂轮与金属结合剂切割砂轮切割氧化铝陶瓷的表面对比分析
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表论文
• 致谢