硬脆材料磨削加工机理

发布日期:2013-09-10    兰生客服中心    浏览:2247

  随着科技与生产的发展,硬脆材料(如工程陶瓷、光学玻璃等)的应用日趋广泛。由于硬脆材料的脆性较大,加工时在磨粒作用下易发生断裂,因此其加工机理比金属材料加工更为复杂。对硬脆材料的磨削加工机理进行了理论分析。

  一、硬脆材料磨削模型的建立

  在精密磨床上用单颗粒金刚石飞铣装置对玻璃进行切削试验。利用高速摄影机观察金刚石颗粒切削脆硬材料的动态过程;利用扫描电镜观察被加工材料的沟槽横截面和沟槽形貌。通过对切削试验过程以及被加工玻璃表面的观测分析,建立如图1所示的硬脆材料(玻璃)磨削模型。

图1 硬脆材料(玻璃)的磨削模型

  二、硬脆材料在磨粒挤压作用下的塑性行为

  在切削试验中可观察到,当切深较小时(即磨削初始阶段),硬脆材料的变形表现为塑性变形。从应力场的角度分析,硬脆材料只有在围压足够大时,才能象金属材料一样表现出良好的塑性,围压越大,塑性越好。

  由于任何磨粒的端部均有一定的圆弧半径,因而可将磨粒端部近似看作一个半径为R的球体。当磨粒在垂直力P作用下压向玻璃表面时,其与玻璃的接触面边缘为一个圆。该圆半径为

  接触面上的压力分布可用q表示为(见图2)

图2 磨粒压入平面时的压力分布情况

  由图2可见,在压力面边缘的压力分布为0,而在压力面中心(r=0 处)压力分布最大,用q0表示此中心处压力,由式(2)可得

图3 应力区分布图

  在分布力q的作用下,玻璃内的应力可分为Ⅰ区和Ⅱ区,如图3所示。在Ⅰ区内,玻璃受到各个方向的压应力作用;在Ⅱ区内,玻璃受到压应力和拉应力的综合作用。

  在对称轴(Z轴,位于Ⅰ区)上,正应力的海尔茨公式为

  式中应力均为主应力,负号表示压应力。随着与压力面(Z 轴)距离的增大,sr、sq、sz均减小,而sr=sq比sz减小得更快。当z=0时,则有

  若选取内摩擦系数u=0。3,则压力面中心的压应力为

  由此可见,在压力面中心点的材料受到围压P=0.8q0、偏压∆q=0.2q0的作用,接近于各自均匀的压缩状态,在围压数倍于偏压的情况下,材料几乎不发生破坏。离开中心点后,材料受到的围压和偏压均减小,但围压比偏压减小更快,例如,在z=a/2和z=a处(r=0)的应力状态分别为

  由上列四式可知,离压力面中心点越远,材料受到的围压越小,因此材料更有可能在压力面下方一定距离处首先发生破坏,开裂方向平行于最大压应力方向(Z 轴方向),此裂纹即为中位裂纹(MC)。当压力不足以产生中位裂纹时,在压力面中心附近区域的材料将发生明显的塑性变形,其它各处的材料则保持弹性状态。

  在接触面边缘(图3中Ⅱ区),sz=0,sr=-sq=[(1-2u)/3]q0,此时拉应力达到最大值,由sr引起的裂纹即为赫兹裂纹(CC)。在Ⅱ区以及Ⅰ、Ⅱ区毗邻的区域,由于不具备高围压条件,因此材料未表现出塑性。

  由此可见,硬脆材料在切深很小时,具备了良好的塑性变形条件,从而形成磨削过程中的犁沟阶段。即使在脆性切削阶段,与磨粒接触的材料表面仍表现出良好的塑性变形(但下层材料发生了破坏)。

  三、硬脆材料在磨粒推挤作用下的断裂行为

  脆性材料(如玻璃)与塑性材料(如金属)在单轴拉伸、扭转时的断裂形式对比见下表。可见,金属的断裂方向平行于最大剪应力方向,符合最大剪应力准则;而玻璃的断裂方向则垂直于最大拉应力方向,符合最大拉应力准则。

表硬脆材料与金属材料的断裂形式

  研究表明,金属材料在单轴或多轴压缩时的破坏仍符合最大应力原则,而脆性材料的破坏机理至今仍不十分清楚。在单轴压缩或围压压缩时,脆性裂纹总是趋于剪切载荷最小的方向(即压应力最大的方向),大多数裂纹是张性的;随着外应力的增大,微裂纹数量不断增加,大量微裂纹相互交错连接,致使脆性材料发生完全破坏。同时,随着围压的增大,材料的塑性也增大,微裂纹的扩展方向将偏离最大压应力方向。此时,一部分微裂纹的扩展是张性的,另一部分则是剪性的;当围压很高时,则主要发生剪切破坏。

  硬脆材料在磨粒作用下的受力情况较复杂,不能简单归结为张性断裂或剪切断裂。在磨粒刃尖附近,材料受到很高的围压,因此将主要产生剪切移动(犁沟)或剪切破坏形成的密实核;在远离磨粒刃尖的区域,则主要发生大块张性崩碎。

  材料与磨粒两侧接触处因受到很大张应力而发生开裂,形成图4所示的蹄状裂纹(HC)。蹄状裂纹与球体侵入时产生的赫兹裂纹本质上是相同的。当蹄状裂纹扩展方向与切削方向成较大角度(如接近90°)时,由于受到前方阻力,促使蹄状裂纹扩展的张应力很快衰减,使蹄状裂纹停止扩展。当蹄状裂纹扩展方向与切削方向成较小角度时,压应力使蹄状裂纹不断扩展并逐渐趋于与压应力平行,从而导致沟槽两侧向产生豁口;当磨粒切削到边缘时,由于s1近似为零,因此蹄状裂纹可向两侧不停扩展,从而产生崩边。蹄状裂纹从产生到扩展都是张性的。

图4 蹄状裂纹示意图

  在磨粒作用下,脆性材料并不只产生蹄状裂纹。事实上,在磨粒周围整个强应力作用区内任何地方均可能发生开裂。正是由于众多裂纹相互交贯,才使切屑呈粉碎状而非一整块,同时在被加工材料表面留下许多裂纹。

  当切削深度和切削宽度均很小时,脆性材料不发生开裂,只形成光滑的塑性沟槽,其作用机理可用图5所示结构应力强度因子来解释。

图5 裂纹应力示意图

  如图5所示,无限大的平板中有直径为D的圆孔,孔内承受均匀压力P,孔两边有长度为a的裂纹。裂纹的应力强度因子为

  近似认为圆孔直径D与磨粒切削宽度相等,压力P与磨粒棱面与材料的接触应力相等,将长度为a的裂纹视为材料中的天然裂纹,则由式(5)可知,在接触压力和天然裂纹长度一定的情况下,切削宽度越小,强度因子KI越小。当KI小于某一临界值KIC时,断裂就不会发生。此时,KIC为材料的断裂韧度。

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