陶瓷材料磨削加工過程的壓痕斷裂力學分析

1陶瓷壓痕斷裂力學脆硬體的壓痕斷裂現象一直是材料科學家的研究內容之一。經歷了從早期的準靜態壓痕斷裂到移動壓頭作用下的裂紋擴展,從疲勞壓痕斷裂到動態壓痕等研究過程。磨削加工作為燒結后陶瓷制品的常用機械加工手段之一,是砂輪上鋒利的金剛石磨粒與陶瓷表面相互作用,與脆性固體的壓痕斷裂過程有著共同之處。因此,脆性固體的壓痕斷裂力學為陶瓷材料的磨削加工提供了豐富的理論基礎。本文在研究磨削裂紋形成基礎上,進一步分析材料參數和磨削方式對陶瓷磨削加工的影響。2與陶瓷材料的接觸陶瓷材料受到金剛石磨粒的法向磨削分力P和切向磨削分力F的共同作用,如圖1。陶瓷材料內任一點處的應力狀態可表示為:其中,R為磨削應力場中任一點與磨粒間的距離;θ為R在oxy平面的投影r與x軸之間的夾角;φ為R與z軸之間的夾角;λ為切向磨削分力與法向磨削分力之比,即λ=F/P;μ為陶瓷材料的泊松比(Poisson′sratio)。磨粒在陶瓷材料表面接觸點附近產生局部塑性變形區域,以特征尺寸a表示,則塑性變形區與彈性區域的平均接觸壓力P0為:P0=P/(απα2)(2)其中,α是與磨粒幾何形狀有關的無量綱常數,分析中假定各個磨粒與陶瓷材料接觸部分形狀參數α和a相同。根據圣維南(St.Venant)原理,在R?a區域,上述彈性解有效。將式(2)代入式(1),得到磨削彈性應力場中任一點處的應力狀態:其中,gij(φ,θ)λ,μ是磨削應力角度坐標變量函數,可據式(1)、(3)求得。如令λ=0,則式(1)、(3)表示陶瓷材料的壓痕應力狀態。陶瓷材料一般產生2類壓痕裂紋,中位/徑向裂紋(Median/Radialcracks),降低材料強度,應避免在精密加工中產生。側向裂紋(Lateralcracks)向表面擴展導致材料的去除,機械粗加工中可利用側向裂紋獲得高的材料去除率。3分析與討論3.1不同材料的磨削力陶瓷材料壓痕微開裂過程中,中位裂紋和徑向裂紋的初始形成都需要一個壓痕載荷臨界值P*(Crack-initiationThreshold),如下式:其中,λ0為無量綱常數;KIC為陶瓷材料的斷裂韌性;Hv為材料硬度;Hv/KIC為材料的脆性指數(IndexofBrittleness)。式(4)表明:對于某種陶瓷材料,法向磨削力超過某一臨界值后,陶瓷材料內會產生中位裂紋和徑向裂紋以及側向裂紋。取λ0=1.6×104,選擇幾種陶瓷材料室溫下Hv和KIC典型性能,據式(4)算出材料的壓痕載荷臨界值,見表1。Hv/ΚIC反映材料裂紋產生的難易程度,壓痕載荷的臨界值隨其比值降低而提高。機械粗加工時,可選擇適當的磨削參數,使磨削力的法向分力大于被加工材料的壓痕開裂臨界載荷值,以增加材料去除,實現高效加工;而精加工時,需控制磨削力,減少中位/徑向裂紋的產生,以塑性去除方式加工,保證材料性能。另一方面,可應用并設計在材料制備中考慮其磨削加工性。如材料應用以耐磨性能為主時,可在增加硬度的同時,控制其斷裂韌性,以獲得較高的材料的脆性指數Hv/KIC,這樣材料在滿足功能的同時易于加工。根據式(1)～(3),給定磨粒形狀,影響磨削應力狀態的有彈性常數μ,磨削分力比λ值和坐標位置。此時,磨削應力角度坐標變量函數gij(φ,θ)λ,μ直接反映磨削應力狀態。為便于計算與比較,取無量綱磨削主應力變量σ表示磨削應力狀況,計算式為:σ=σii/[αΡ0(a/R)2](i=1,2,3)(5)當磨削主應力大于臨界應力σc時,裂紋尖端的應力強度因子KI大于材料的斷裂韌性KIC,裂紋開始快速擴展,以至斷裂。已有的研究結果表明:在磨粒前下方,第二主應力(σ22)極值大于第一主應力(σ11)極值,導致沿磨削方向的加工裂紋;第一主應力(σ11)在磨粒后方(θ=00,φ=-900處)取得另一極值,即第一主應力最大值,產生垂直磨削方向的表面裂紋。泊松比μ是材料的彈性常數,磨削應力隨材料μ值而變。取λ=1/8,根據式(3)算得表1中4種材料的主應力變量極值σmax,如圖2所示。在相同加工條件下,陶瓷材料磨削裂紋的位置均相同,第一主應力最大值位置為θ=00,φ=-900;第二主應力極值位置為θ=00,φ=4.250。但隨著μ值的減小,材料的脆性增加,主應力極值相應增加。SSC材料具有較高的主應力極值,據表1的計算結果,SSC陶瓷材料中位/徑向裂紋的臨界壓痕載荷最小,因此,SSC陶瓷材料更易產生磨削裂紋,材料容易去除。泊松比在一定程度上反映了材料的磨削加工性。回歸分析圖2結果,便得到磨削主應力極值與泊松比的簡單函數關系:σ11max=η(0.616-0.8436μ);r=0.9988(6a)σ22max=η(0.2518-0.5035μ);r=1(6b)其中,常數η=αP0(a/R)2,r為相關系數。3.2值的計算分析磨削方式可影響磨削分力的比值,切向磨削分力對磨削應力有顯著影響,令μ=0.2,選擇5種磨削分力比值λ,由式(1)～(3)計算主應力極值,結果如圖3。增大切向磨削分力,各個主應力極值均呈增大趨勢,特別是磨粒后方的第一主應力最大值增加的更快。當λ=0.4時,第一主應力最大值是λ=0.1時的1.86倍。同理,得到磨削主應力極值與磨削分力比關系:σ11max=η(1.2+0.3λ);r=1(7a)σ22max=η(0.0635λ2+0.0008λ+0.15);r=1(7b)磨削第一主應力最大值位置不隨λ值而變;而第二主應力極值位置角度φ與磨削分力比λ呈線性關系,見圖3折線圖,回歸分析得到關系式:φ=32.875λ+0.075;r=0.9998(8)據式(8),磨粒前下方的磨削裂紋位置角度φ隨磨削分力比λ增大,易形成表面裂紋,便于材料的去除。改進加工方式,可增大磨削分力比λ值,實現陶瓷材料的高效加工,如果λ=2.735,角度φ達到900,完全形成表面裂紋。例如,普通往復式平面磨削方式的λ值僅在0.1～0.2之間;而緩進給磨削加工方式磨削深度比普通磨削大100～1000倍,可提高磨削力的切向分力,應用于陶瓷材料的高效加工。4陶瓷磨削力的測試機床選用HZ-63型精密臥軸矩臺平面磨床,砂輪型號1Al/T2300×20×127×5RVD120/140B100,水基冷卻液,磨削參數:磨削速度Vc,磨削寬度b,磨削深度ap和工件速度vw。測試設備采用QB-09型萬能測力儀,DY-15型動態電阻應變儀,LZ-204型X-Y函數記錄儀和Taylor-Hobson-6型粗糙度儀。測試陶瓷磨削表面輪廓形貌粗糙度參數Ra,在一定程度上反映陶瓷磨削表面裂紋;測試比磨削剛度kg,即在單位寬度內磨削單位深度陶瓷所需的法向磨削力,反映陶瓷的磨削加工性。圖4和圖5結果與表1和圖2基本一致,以SSC為例,其壓痕載荷最小,僅需較小的磨削力便可產生磨削裂紋,磨削剛度最小;SSC的磨削主應力最大,易產生較多的表面磨削裂紋,粗糙度值增大。5磨削力陶瓷材料的磨削加工應根據材料性能選擇適宜的磨削參數和磨削方式。陶瓷材料的脆性指數和泊松比可用來衡量材料的磨削加工性。應用陶瓷材料的脆性指數可確定臨界磨削力,根據泊松比和磨削分力比λ計算磨削主應力極值,根據臨