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河南理大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文）
電火花、超聲、鉆石切削陶瓷中的加工表面完整性
Deng Jianxin a,*, Lee Taichiu b
山東科技大學機械工程學院 濟南250061 山東省 PR中國
香港理工大學九龍紅磡制造工程處 香港 中國
摘要：
陶瓷部件往往需要良好的完整的加工表面,因為多數(shù)情況下, 陶瓷部件的壽命由它的表面質(zhì)量所決定。在這項研究中,對電火花加工、超聲加工、金剛石切削陶瓷材料部件表面的完整性,專家已進行比較和調(diào)查.。他們測量了部件的表面粗糙度、硬度、機械表面成型過程。人們經(jīng)常用彎曲應(yīng)力及其分布來評價切削加工過程對標本表面完整性的影響。 結(jié)果表明,切削加工過程對陶瓷材料的表面質(zhì)量有很大的影響。電火花加工陶瓷材料時產(chǎn)生的熱量常造成表面裂紋、瑕庇。而加工表面的破壞是由韋伯模數(shù)太低造成的。在大多數(shù)加工條件下，超聲加工、金剛石切削比較平穩(wěn)，并且其彎曲應(yīng)力和韋伯模數(shù)要比電火花加工時高。
關(guān)鍵詞：A.精加工；B.復(fù)合材料；C.加工
1.簡介：
陶瓷復(fù)合材料仍無法滿足具有復(fù)雜幾何外形部件在加熱條件下的精加工的需要,這顯然表示還要對部件進一步處理。機械加工如磨削加工，電火花加工，超聲加工，金剛石加工和激光加工經(jīng)常應(yīng)用，并且在陶瓷加工中費用很高。機械加工過程中, 低的表面粗糙度使陶瓷表面很容易破壞。這種表面破壞包括表面裂紋、微裂紋和有害的抗應(yīng)力。表面裂紋和抗應(yīng)力相結(jié)合，將影響陶瓷材料的性能和加工后的承載能力。
陶瓷材料的應(yīng)力取決于它對破壞的抗力和能夠引起應(yīng)力變化的毛細孔、應(yīng)力破壞和微裂紋。斷裂分析表明：內(nèi)部斷裂是造成陶瓷表面失效的主要原因，這種情況經(jīng)常在精加工中出現(xiàn)。這些表面上的破壞形式限制了應(yīng)力，并決定應(yīng)力分布，從而影響應(yīng)力作用下裂紋的生長。我們經(jīng)常觀察到在同一材料的不同樣品中，破壞應(yīng)力變化很顯著。之所以這樣，部分原因是表面缺陷的任意分布。由于這個原因，我們需要一種計算應(yīng)力變化的方法。幾項研究表明復(fù)合應(yīng)力可以用來表示陶瓷加工的表面完整性。因為很大程度上，韋伯模數(shù)描述了復(fù)合應(yīng)力分布值。韋伯模數(shù)值較大，則表明應(yīng)力分布范圍狹窄以及材料性能很好。然而小的韋伯模數(shù)表明應(yīng)力集中分布裂紋、廣泛，可以歸因于精加工過程中表面的破壞。
在這項研究中，專家研究了電火花加工超、聲加工金、剛石切削含氧化鋁，炭化鈦，鉬，鎳等陶瓷材料，檢測了表面粗糙度、硬度、光潔度。復(fù)合應(yīng)力及其分布用來估量機械加工過程中表面的完整性，目的是比較機械加工過程中的表面質(zhì)量，獲得切削加工對應(yīng)力及其分布的影響。
2.材料及實驗步驟：
2.1材料比較
目前研究所用的材料是作者發(fā)明的含鋁的復(fù)合陶瓷。材料中含有大量的氧化鋁，同時，炭化鈦按表1中的比例加入其中。最后在3.6MPa大氣壓下進行8分鐘的熱壓縮，從而形成陶瓷磁盤，所需的溫度范圍是1600－1800度。少量的鉬和鎳元素加入其中是為了較少電子斥力，增加內(nèi)部彎曲應(yīng)力。表1列出了陶瓷中所含的成分的機械特性。
表1. 陶瓷中所含的成分的機械特性
成分(vol %)
復(fù)合應(yīng)力(MPa)
斷裂應(yīng)力(MPa.m/s)
硬度(GPa.)
Al2O3/50%TiC/5% Mo/Ni
900
5.04
20.5
2.2加工方法和試驗步驟：
電火花加工是一個熱加工過程，在刀具電極和工件之間產(chǎn)生大量的熱。電火花為加工陶瓷材料提供了一種方法，無論它的的強度和應(yīng)力如何，只要導(dǎo)電器足夠。本次試驗中所用的線電火花切割機是三菱電器系統(tǒng)模型DWC90G系列，電路脈沖最大電流為30A。該線切割機有線網(wǎng)使用的銅管直徑0.25 毫米直徑，平均電壓55V,瞬時電流可以設(shè)定為5A、10A、14A。
超聲加工用于硬性材料和脆性材料，不管它們是否導(dǎo)電和是否經(jīng)歷了熱燒傷。在超聲機械加工中， 超聲使磨料微粒與冷卻液在振幅范圍內(nèi)（通常小于75um）和工具一起振動, 并且陶瓷材料先在磨料微粒作用下脫落。在這項研究中,超聲波是在J93025機床(中國制造)上工作的, 它的功率250瓦,頻率16－25千赫茲，靜態(tài)負荷是10N,分別使用了80，120和240B4C磨料微粒。
金剛石切削是用金剛石刀具在Struers Accutom-2機床上工作，它的進給速度為0.5mm/min，切削速度為6m/s。
為每一種切削準備好小樣本（3×4×16mm）用來測量復(fù)合應(yīng)力。他們用3點彎曲模式測量跨度在10mm以上，速度為0.5 mm/min時的復(fù)合應(yīng)力。應(yīng)力可以通過兩個限定的韋伯參數(shù)分析。對部件表面粗糙度的測量則通Talysurf10系統(tǒng).。硬度則通過Zwick3212硬度計測量。他們還通過電子顯微鏡觀察加工表面的顯微結(jié)構(gòu)。
3.結(jié)果與分析：
3.1切削含氧化鋁，炭化鈦，鉬，鎳等陶瓷材料的表面光潔度
圖1.電火花切削含氧化鋁，炭化鈦，鉬，鎳等陶瓷材料的顯微結(jié)構(gòu)
圖1（a）顯示了電火花加工含氧化鋁，炭化鈦，鉬，鎳等陶瓷材料的表面的顯微結(jié)構(gòu)?？梢园l(fā)現(xiàn)上面有大量的微觀裂紋。其表面上出現(xiàn)直徑變化的凸凹不平的小坑，同時微裂紋和瑕斑造成的顯著的表面破壞也能看到。在電火花加工表面上找到這些特征的可能性很大。用電火花加工含氧化鋁，炭化鈦，鉬，鎳等陶瓷材料，不管是金屬變形的融化階段還是熱剝落的耐火階段，微觀裂紋對材料的切除和表面的形成作用很大。電火花加工表面形成機制可能是：火花在金屬如鉬，鎳可能會融化的導(dǎo)熱階段形成。這些階段高導(dǎo)熱性加大了表面粗糙度。圖1（b）顯示了表面上有更大的坑和二次硬化層?？梢钥闯觯呻娀鸹ㄔ斐傻谋砻嫫茐膶?dǎo)致鉬，鎳的侵蝕和氧化鋁，炭化鈦顆粒的暴露。其表面破壞的可能性和程度是通過比較與部件表面向垂直的橫截面得到的。圖2是電子顯微結(jié)構(gòu)圖,它取自表面上小坑的中心，展示了表面破壞，它揭示了表面明顯得到硬化。表面層的顏色比中心顏色深，厚度大概是8um。這些表面上的小坑和裂紋深深地影響陶瓷地性能和應(yīng)力，以后我們就可以看到。
圖2. 電火花切削含氧化鋁，炭化鈦，鉬， 圖3.超聲波加工含氧化鋁，炭化鈦，
鎳等陶瓷材料的橫截面的顯微結(jié)構(gòu) 鉬等陶瓷材料的顯微結(jié)構(gòu)
超聲加工表面與電火花加工有很大的不同。圖3表明了典型的超聲加工含氧化鋁，炭化鈦，鉬，鎳等陶瓷材料的表面的顯微結(jié)構(gòu)。它顯示材料的剝落主要是依靠細微的折斷，顯然，這些斷裂是晶體和非晶體混合作用的結(jié)果。加工表面的特征受那些大量的小的碎片影響。和圖1相比較，超聲加工后的表面相對比較光滑，而且沒有顯著的裂紋。
典型的金剛石切削含氧化鋁，炭化鈦，鉬，鎳等陶瓷材料的顯微結(jié)構(gòu)在圖4中顯示。可以看到其加工表面含有因細微切割造成的剝落碎片和因微裂紋產(chǎn)生的溝壑。溝槽的側(cè)面，我們看到有碎片，這些剝落碎片能夠表明切削過程中細微斷裂的存在。金剛石切削過程中，表面上很少有獨立顆粒剝落的證據(jù)。
3.2. 含氧化鋁，炭化鈦，鉬，鎳等陶瓷材料的粗糙度和硬度：
電火花加工,超聲加工，金剛石切削材料的粗糙度和硬度在表2中列出。可以看到：電火花加工后的表面粗糙度最大，硬度最小。其高粗糙度歸因于能夠從圖1中看到的裂紋小坑以及溝槽的存在，而表面硬度很低可能是因為熱硬層的存在（在圖2中表示）。若是電火花加工時采用較小的電流，那么得到的表面粗糙度較小，因為電火花的能量密度有所減少。但是在這兩種磨削加工過程，表面硬度卻沒有顯著的不同。
表2. 含氧化鋁，炭化鈦，鉬，鎳等陶瓷材料的粗糙度和硬度
試樣
切削參數(shù)
粗糙度(um)
硬度(GPa)
電火花加工
U=55v Ip=5-14A
1.64-2.55
14.7-16.5
超聲加工
磨粒顆粒B4C80-240
0.15-0.85
18.2-19.8
金剛石切削
切削速度V=6m/s
0.65-1.42
18.5-20.2
3.3.含氧化鋁，炭化鈦，鉬，鎳等陶瓷材料的復(fù)合應(yīng)力及其分布：
圖4.金剛石金剛石切削含氧化鋁，炭化鈦，鉬，鎳等陶瓷材料的顯微結(jié)構(gòu)
圖5.電火花加工含氧化鋁，炭化鈦，鉬，鎳等陶瓷材料的韋伯模數(shù)
電火花加工的試樣的應(yīng)力分布在的韋伯模數(shù)在圖5中顯示出來，圖中斜率表示每一種分布的韋伯模數(shù)。斜率越大，應(yīng)力數(shù)值變化量就越小。表3記錄了在每一中切削狀態(tài)下的韋伯模數(shù)和平均應(yīng)力。至于表1和表3，可以證明電火花加工后的應(yīng)力很低，僅僅是原材料應(yīng)力的68％－80％，韋伯模數(shù)范圍是6.3－8.7。這表明電火花加工對加工試樣的復(fù)合應(yīng)力有壞的影響。電流越大則裂紋越多。當電火花加工電流為5A時，可以得到平均應(yīng)力716MPa，韋伯模數(shù)為8.7。當電流達到10A時，平均應(yīng)力下降到655MPa，而韋伯模數(shù)為7.1；，當電流達到15A時，平均應(yīng)力就會下降到619MPa，而韋伯模數(shù)為6.3。電流越高，其能量密度越大，增加了材料脫落的比率和表面粗糙度。表面缺陷可以導(dǎo)致部件嚴重失效。
表3. 電火花加工陶瓷材料應(yīng)力分布的韋伯模數(shù)
試樣
電流（A）
韋伯模數(shù)
平均應(yīng)力（MPa）
電火花加工表面
14，10，5
6.3，7.1，8.7
619，655，716
陶瓷加工中一個嚴重的問題是工件表面裂紋的激發(fā)。這主要是因為裂紋與表面上突出的缺陷的大小和分布有關(guān)?？刂莆⑿〔牧蠎?yīng)力這一基本因素將決定加工中缺陷形成的大小。電火花引起的裂紋和小坑可以說是斷裂的根源，并且能夠引起應(yīng)力遞減，電火花加工表面的破壞主要歸因于韋伯模數(shù)太低。
表4. 超聲波加工陶瓷材料應(yīng)力分布的韋伯模數(shù)
試樣
顆粒大小
韋伯模數(shù)
平均應(yīng)力（MPa）
超聲波加工表面
80，120，240
14.3，15.3，16.9
781，808，828
表5.金剛石加工陶瓷材料應(yīng)力分布的韋伯模數(shù)
試樣
韋伯模數(shù)
平均應(yīng)力（MPa）
金剛石加工表面
19.2
864
圖6.超聲波加工含氧化鋁，炭化鈦，鉬，鎳等陶瓷材料的韋伯模數(shù)
超聲波加工的試樣的應(yīng)力分布的韋伯模數(shù)在圖6中顯示出來。表4記錄了在每一中切削狀態(tài)下的韋伯模數(shù)和平均應(yīng)力?？梢宰C明：超聲波加工的試樣的平均應(yīng)力值要比電火花加工的試樣大，韋伯模數(shù)也相應(yīng)增加，范圍是14.3－16.9。這表明了與電火花加工相比，超聲波加工過程中有種力抵擋、限制含氧化鋁，炭化鈦，鉬，鎳等陶瓷材料表面的破壞。磨削顆粒越小，應(yīng)力和韋伯模數(shù)越大。金剛石加工的試樣的應(yīng)力分布的韋伯模數(shù)在圖7中顯示出來，表5記錄的是其韋伯模數(shù)和平均應(yīng)力。金剛石切削在6m/s的切削條件下，應(yīng)力為846 MPa，韋伯模數(shù)為19.2。經(jīng)過比較可以看出：超聲波加工和金剛石切削過程比較平穩(wěn)，復(fù)合應(yīng)力和韋伯模數(shù)比電火花加工的試樣高。
圖7. 金剛石切削含氧化鋁，炭化鈦，鉬，鎳等陶瓷材料的韋伯模數(shù)
4.結(jié)論：
對電火花加工,超聲加工，金剛石切削含氧化鋁、炭化鈦、鉬、鎳等陶瓷材料部件的表面的完整性進行比較，可以得到一下結(jié)論：
1.電火花加工含氧化鋁，炭化鈦，鉬，鎳等陶瓷材料部件表面由于熱量原因產(chǎn)生缺陷和裂紋，其表面質(zhì)量和殘余應(yīng)力隨電流的增加而降低，而表面質(zhì)量差是因為韋伯模數(shù)太低。
2.大多情況下超聲加工和金剛石切削可以獲得較好的表面質(zhì)量，其應(yīng)力和韋伯模數(shù)比電火花加工試樣高。超聲加工中，復(fù)合應(yīng)力和韋伯模數(shù)隨磨料顆粒的減小從而得到改善。
注： 11