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耐磨内贴陶瓷弯头:陶瓷材料去除机理方法

文章发布日期:2019-08-20 05:32
陶瓷材料去除机理主要包括以下三种方法:

a 脆性去除机理 陶瓷磨削中的材料脆性去除方式主要有以下几种:晶粒去除、材料剥落、脆性断裂、晶界微破碎等。在晶粒去除过程中,材料是以整个晶粒从工件表面上脱落方式被去除的。这种材料去除机理发生的同时伴有材料的剥落去除方式,而剥落去除方式是陶瓷材料磨削中十分重要的去除机理。在材料剥落去除机理中,材料是因磨削过程中所产生的横向和径向裂纹的扩展而形成局部剥落块来去除的。该方式下主要问题是裂纹的扩展会大大降低I:件的机械强度。当用金刚石砂轮磨削多晶结构氧化铝陶瓷时,尽管也存在一定的塑性流动汪据,但材料去除主要以脆性断裂方式完成。当磨粒从一开始磨过陶瓷表面时,在材料亚表面层产生了内应力,这使裂纹形成和扩展并导致材料强度和精度的损失。因此,当砂轮再次磨过表面时,大部分磨削能并不消耗于切屑成型方面,这缘于材料已脆裂,也就是说,一些结合键(剂)已被破坏,磨粒仅仅是在移去这些材料。


除了横向裂纹断裂(剥落)方式外,材料脆性去除还和破碎(碎裂)有关,磨粒前端和其下面的材料破碎是表面圆周应力和剪切应力分布引起的各种形式破坏的结果。有一种模型,假设断裂产生的破碎(碎裂)是由弹性张力超过临界值以前存在的分散的裂纹引起的。还有一些模型则认为破碎是由运动压头下连续的裂纹分支引起的。这些差别可能与纯弹性应力的假设有关,实际局部塑性变形对氮化硅材料先进陶瓷制备工艺的影响很大,这将导致应力强度和破碎深度降低。对氮化硅和氧化铝陶瓷的刻划实验显示了沿沟痕的塑性变形、横向断裂以及刀头前方的破碎现象。热压氧化铝陶瓷的观察结果。当切深为lum时,只有塑性变形引起的耕犁脊峰,这表明径向载荷低于产生裂纹的临界载荷值;当切深为1um时,在沟痕表面可同时观察到鳞状破裂裂纹和塑性流动,且材料的去除绝大多数为细小破碎微粒形式,这可能是由磨粒后侧的拉应力引起的;当切深达到l0um时,横向裂纹从切沟径向扩展,当切深更大时将导致大规模的铲除和破碎。
近的对包括氧化铝、氧化锆陶瓷、氮化硅、碳化硅等陶瓷材料加工的观察表明,在陶瓷磨削过程中晶界微破碎和材料晶粒状位错在材料去除过程中也起了关键性的作用。在磨削过程中,单个金刚石颗粒与陶瓷工件的接触会产生一个含有分布状晶界微裂纹的损伤区,磨削中材料去除则是通过单个颗粒从这些晶界微破碎处的位错方式来完成的。依据磨削条件状况,除了单个材料晶粒的位错以外,沿晶界相联平面和滑动平面的晶粒内部微破碎以去除颗粒的部分,以及包含几颗颗粒的材料成块去除也是可能发生的。
b 粉木化去除机理在精密磨削过程中,当磨削深度在亚微米级时,碎裂和破碎机理不会发生,此时主要可能发生材料粉末化现象,材料粉末机理是磨削过程磨粒引起的流体静态压应力所包围的局部剪切应力场所引起的晶界和(或)晶间微破碎的结果,陶瓷材料晶粒因粉末化去除被碎裂成更细的晶粒,并形成粉末域。
在一配有空气静压主轴与导轨的精密磨床上进行了一系列单刃磨削和金刚石砂轮磨削试验,被磨材料为热压氮化硅和热压氧化铝陶瓷。对于单刃磨削,砂轮速度为1600m/min.切深为0~16um,不加冷却液;对于金刚石磨削,砂轮速度为1600m/min,切深为15um,加冷却液。用锥度抛光法、断裂法、腐蚀法、扫描电子显微镜(SEM)及透射电子显微镜(TEM)等技术检测了磨削工件的表面,得到的结论是:在单刃陶瓷磨削中观测到的是粉末形成而不是延展形式,这产生于复合应力状态引起的微粉碎。被粉碎的材料与主体材料相比结合比较松散,可通过在接触区的磨粒与工件接触面处施加流体静压应力使其重新紧密。当切深小于临界值时,陶瓷材料只经历粉碎无宏观断裂。磨粒尺寸越大,产生的粉末就越多。在单刃磨削中,材料横向滚动形成堆积,切深越小,堆积系数越大。在给定切深条件下,氮化硅堆积系数化氧化铝陶瓷的略大,这是因为在氮化硅上产生的粉末层厚度大于在氧化铝上产生的粉末层厚度。
c 塑性变形去除机理在一定的加工条件下,任何脆性材料能够以塑性流动的方式被去除,压痕断裂力学模型预测了产生横向裂纹临界载荷,在低于这一临界载荷加工条件时,材料去除将以塑性变形去除为主。
许多的试验研究已报告了在单刃切削磨削中,材料从塑性状态到脆性状态的转变。除了载荷和切削深度外,这种跃迁还依赖于机床刚度、刀具半径、前角大小、晶粒几何方向、切削加工方向和工件材料,一些划痕试验研究表明当在几个微米级的切除情况下是以塑性去除机理方式来去除陶瓷表面的。在硅和锗的单刃倾斜切削试验中,在达到一个临界切削深度后,初的塑性流动不断地转变为脆性断裂状态,法向力在塑性区域里随距离(即切削深度)呈线性增大,而在脆性区域里,法向力波动且并未增大多少。这表明了切削力和加工能量主要消耗于塑性流动,尽管大量材料去除是以脆性断裂方式来完成的。塑性区域被磨的试件呈现出更好的表面质量及强度。
文献中对陶瓷材料的塑性域磨削进行了系统的研究,研究中采用了配有超精密进给控制装置的专用磨床,结构同性好,实时控制磨削进给,使用先进砂轮修整技术和环境抗干抗技术。在磨削深度足够小的情况下,所有脆性材料将以塑性流动去除而不是以脆性断裂去除。研究表明,对于各种脆性材料在对应的脆性转变时的磨削进给量和材料特点(如断裂韧性、硬度、弹性模量)之间存在一定的关系,这种关系可通过一个简单的能量原理方程来合理描述。这个研究工作指出,碳化硅的塑性状态磨削的磨粒切削深度hcu大约为0.200rim或更少,当hcu大于这个数值时,磨削方式就从塑性转变为磨性去除机理。Bifano对塑性域磨削方式的定义是基于脆性材料被磨表面的破碎表面相对面积辜.Bifano定义的塑性域磨削方式下,被磨表面的破碎表面相对面积事为l0※及以下。

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