陶瓷材料去除機理方法

        陶瓷材料去除機理主要包括以下三種方法：

        a 脆性去除機理  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。在晶粒去除過程中，材料是以整個晶粒從工件表面上脫落方式被去除的。這種材料去除機理發(fā)生的同時伴有材料的剝落去除方式，而剝落去除方式是陶瓷材料磨削中十分重要的去除機理。在材料剝落去除機理中，材料是因磨削過程中所產(chǎn)生的橫向和徑向裂紋的擴展而形成局部剝落塊來去除的。該方式下主要問題是裂紋的擴展會大大降低I：件的機械強度。當(dāng)用金剛石砂輪磨削多晶結(jié)構(gòu)氧化鋁陶瓷時，盡管也存在一定的塑性流動汪據(jù)，但材料去除主要以脆性斷裂方式完成。當(dāng)磨粒從一開始磨過陶瓷表面時，在材料亞表面層產(chǎn)生了內(nèi)應(yīng)力，這使裂紋形成和擴展并導(dǎo)致材料強度和精度的損失。因此，當(dāng)砂輪再次磨過表面時，大部分磨削能并不消耗于切屑成型方面，這緣于材料已脆裂，也就是說，一些結(jié)合鍵（劑）已被破壞，磨粒僅僅是在移去這些材料。


 

        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。有一種模型，假設(shè)斷裂產(chǎn)生的破碎（碎裂）是由彈性張力超過臨界值以前存在的分散的裂紋引起的。還有一些模型則認(rèn)為破碎是由運動壓頭下連續(xù)的裂紋分支引起的。這些差別可能與純彈性應(yīng)力的假設(shè)有關(guān)，實際局部塑性變形對氮化硅材料先進(jìn)陶瓷制備工藝的影響很大，這將導(dǎo)致應(yīng)力強度和破碎深度降低。對氮化硅和氧化鋁陶瓷的刻劃實驗顯示了沿溝痕的塑性變形、橫向斷裂以及刀頭前方的破碎現(xiàn)象。熱壓氧化鋁陶瓷的觀察結(jié)果。當(dāng)切深為lum時，只有塑性變形引起的耕犁脊峰，這表明徑向載荷低于產(chǎn)生裂紋的臨界載荷值；當(dāng)切深為1um時，在溝痕表面可同時觀察到鱗狀破裂裂紋和塑性流動，且材料的去除絕大多數(shù)為細(xì)小破碎微粒形式，這可能是由磨粒后側(cè)的拉應(yīng)力引起的；當(dāng)切深達(dá)到l0um時，橫向裂紋從切溝徑向擴展，當(dāng)切深更大時將導(dǎo)致大規(guī)模的鏟除和破碎。
 

        最近的對包括氧化鋁、氧化鋯陶瓷、氮化硅、碳化硅等陶瓷材料加工的觀察表明，在陶瓷磨削過程中晶界微破碎和材料晶粒狀位錯在材料去除過程中也起了關(guān)鍵性的作用。在磨削過程中，單個金剛石顆粒與陶瓷工件的接觸會產(chǎn)生一個含有分布狀晶界微裂紋的損傷區(qū)，磨削中材料去除則是通過單個顆粒從這些晶界微破碎處的位錯方式來完成的。依據(jù)磨削條件狀況，除了單個材料晶粒的位錯以外，沿晶界相聯(lián)平面和滑動平面的晶粒內(nèi)部微破碎以去除顆粒的部分，以及包含幾顆顆粒的材料成塊去除也是可能發(fā)生的。
 

        b 粉木化去除機理在精密磨削過程中，當(dāng)磨削深度在亞微米級時，碎裂和破碎機理不會發(fā)生，此時主要可能發(fā)生材料粉末化現(xiàn)象，材料粉末機理是磨削過程磨粒引起的流體靜態(tài)壓應(yīng)力所包圍的局部剪切應(yīng)力場所引起的晶界和（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。
 

        在一配有空氣靜壓主軸與導(dǎo)軌的精密磨床上進(jìn)行了一系列單刃磨削和金剛石砂輪磨削試驗，被磨材料為熱壓氮化硅和熱壓氧化鋁陶瓷。對于單刃磨削，砂輪速度為1600m/min．切深為0~16um，不加冷卻液；對于金剛石磨削，砂輪速度為1600m/min，切深為15um，加冷卻液。用錐度拋光法、斷裂法、腐蝕法、掃描電子顯微鏡(SEM)及透射電子顯微鏡(TEM)等技術(shù)檢測了磨削工件的表面，得到的結(jié)論是：在單刃陶瓷磨削中觀測到的是粉末形成而不是延展形式，這產(chǎn)生于復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)引起的微粉碎。被粉碎的材料與主體材料相比結(jié)合比較松散，可通過在接觸區(qū)的磨粒與工件接觸面處施加流體靜壓應(yīng)力使其重新緊密。當(dāng)切深小于臨界值時，陶瓷材料只經(jīng)歷粉碎無宏觀斷裂。磨粒尺寸越大，產(chǎn)生的粉末就越多。在單刃磨削中，材料橫向滾動形成堆積，切深越小，堆積系數(shù)越大。在給定切深條件下，氮化硅堆積系數(shù)化氧化鋁陶瓷的略大，這是因為在氮化硅上產(chǎn)生的粉末層厚度大于在氧化鋁上產(chǎn)生的粉末層厚度。
 

        c 塑性變形去除機理在一定的加工條件下，任何脆性材料能夠以塑性流動的方式被去除，壓痕斷裂力學(xué)模型預(yù)測了產(chǎn)生橫向裂紋臨界載荷，在低于這一臨界載荷加工條件時，材料去除將以塑性變形去除為主。
 

        許多的試驗研究已報告了在單刃切削磨削中，材料從塑性狀態(tài)到脆性狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。除了載荷和切削深度外，這種躍遷還依賴于機床剛度、刀具半徑、前角大小、晶粒幾何方向、切削加工方向和工件材料，一些劃痕試驗研究表明當(dāng)在幾個微米級的切除情況下是以塑性去除機理方式來去除陶瓷表面的。在硅和鍺的單刃傾斜切削試驗中，在達(dá)到一個臨界切削深度后，最初的塑性流動不斷地轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔褷顟B(tài)，法向力在塑性區(qū)域里隨距離（即切削深度）呈線性增大，而在脆性區(qū)域里，法向力波動且并未增大多少。這表明了切削力和加工能量主要消耗于塑性流動，盡管大量材料去除是以脆性斷裂方式來完成的。塑性區(qū)域被磨的試件呈現(xiàn)出更好的表面質(zhì)量及強度。
 

        文獻(xiàn)中對陶瓷材料的塑性域磨削進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，研究中采用了配有超精密進(jìn)給控制裝置的專用磨床，結(jié)構(gòu)同性好，實時控制磨削進(jìn)給，使用先進(jìn)砂輪修整技術(shù)和環(huán)境抗干抗技術(shù)。在磨削深度足夠小的情況下，所有脆性材料將以塑性流動去除而不是以脆性斷裂去除。研究表明，對于各種脆性材料在對應(yīng)的脆性轉(zhuǎn)變時的磨削進(jìn)給量和材料特點（如斷裂韌性、硬度、彈性模量）之間存在一定的關(guān)系，這種關(guān)系可通過一個簡單的能量原理方程來合理描述。這個研究工作指出，碳化硅的塑性狀態(tài)磨削的磨粒切削深度hcu大約為0.200rim或更少，當(dāng)hcu大于這個數(shù)值時，磨削方式就從塑性轉(zhuǎn)變?yōu)槟バ匀コ龣C理。Bifano對塑性域磨削方式的定義是基于脆性材料被磨表面的破碎表面相對面積辜．Bifano定義的塑性域磨削方式下，被磨表面的破碎表面相對面積事為l0※及以下。