硬脆材料磨削加工機(jī)理
發(fā)布日期:2014-05-08 蘭生客服中心 瀏覽:4383
隨著科技與生產(chǎn)的發(fā)展,硬脆材料(如工程陶瓷、光學(xué)玻璃等)的應(yīng)用日趨廣泛。由于硬脆材料的脆性較大,加工時(shí)在磨粒作用下易發(fā)生斷裂,因此其加工機(jī)理比金屬材料加工更為復(fù)雜。對硬脆材料的磨削加工機(jī)理進(jìn)行了理論分析。
一、硬脆材料磨削模型的建立
在精密磨床上用單顆粒金剛石飛銑裝置對玻璃進(jìn)行切削試驗(yàn)。利用高速攝影機(jī)觀察金剛石顆粒切削脆硬材料的動(dòng)態(tài)過程;利用掃描電鏡觀察被加工材料的溝槽橫截面和溝槽形貌。通過對切削試驗(yàn)過程以及被加工玻璃表面的觀測分析,建立如圖1所示的硬脆材料(玻璃)磨削模型。
圖1 硬脆材料(玻璃)的磨削模型
二、硬脆材料在磨粒擠壓作用下的塑性行為
在切削試驗(yàn)中可觀察到,當(dāng)切深較小時(shí)(即磨削初始階段),硬脆材料的變形表現(xiàn)為塑性變形。從應(yīng)力場的角度分析,硬脆材料只有在圍壓足夠大時(shí),才能象金屬材料一樣表現(xiàn)出良好的塑性,圍壓越大,塑性越好。
由于任何磨粒的端部均有一定的圓弧半徑,因而可將磨粒端部近似看作一個(gè)半徑為R的球體。當(dāng)磨粒在垂直力P作用下壓向玻璃表面時(shí),其與玻璃的接觸面邊緣為一個(gè)圓。該圓半徑為
接觸面上的壓力分布可用q表示為(見圖2)
圖2 磨粒壓入平面時(shí)的壓力分布情況
由圖2可見,在壓力面邊緣的壓力分布為0,而在壓力面中心(r=0 處)壓力分布最大,用q0表示此中心處壓力,由式(2)可得
圖3 應(yīng)力區(qū)分布圖
在分布力q的作用下,玻璃內(nèi)的應(yīng)力可分為Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū),如圖3所示。在Ⅰ區(qū)內(nèi),玻璃受到各個(gè)方向的壓應(yīng)力作用;在Ⅱ區(qū)內(nèi),玻璃受到壓應(yīng)力和拉應(yīng)力的綜合作用。
在對稱軸(Z軸,位于Ⅰ區(qū))上,正應(yīng)力的海爾茨公式為
式中應(yīng)力均為主應(yīng)力,負(fù)號表示壓應(yīng)力。隨著與壓力面(Z 軸)距離的增大,sr、sq、sz均減小,而sr=sq比sz減小得更快。當(dāng)z=0時(shí),則有
若選取內(nèi)摩擦系數(shù)u=0.3,則壓力面中心的壓應(yīng)力為
由此可見,在壓力面中心點(diǎn)的材料受到圍壓P=0.8q0、偏壓∆q=0.2q0的作用,接近于各自均勻的壓縮狀態(tài),在圍壓數(shù)倍于偏壓的情況下,材料幾乎不發(fā)生破壞。離開中心點(diǎn)后,材料受到的圍壓和偏壓均減小,但圍壓比偏壓減小更快,例如,在z=a/2和z=a處(r=0)的應(yīng)力狀態(tài)分別為
由上列四式可知,離壓力面中心點(diǎn)越遠(yuǎn),材料受到的圍壓越小,因此材料更有可能在壓力面下方一定距離處首先發(fā)生破壞,開裂方向平行于最大壓應(yīng)力方向(Z 軸方向),此裂紋即為中位裂紋(MC)。當(dāng)壓力不足以產(chǎn)生中位裂紋時(shí),在壓力面中心附近區(qū)域的材料將發(fā)生明顯的塑性變形,其它各處的材料則保持彈性狀態(tài)。
在接觸面邊緣(圖3中Ⅱ區(qū)),sz=0,sr=-sq=[(1-2u)/3]q0,此時(shí)拉應(yīng)力達(dá)到最大值,由sr引起的裂紋即為赫茲裂紋(CC)。在Ⅱ區(qū)以及Ⅰ、Ⅱ區(qū)毗鄰的區(qū)域,由于不具備高圍壓條件,因此材料未表現(xiàn)出塑性。
由此可見,硬脆材料在切深很小時(shí),具備了良好的塑性變形條件,從而形成磨削過程中的犁溝階段。即使在脆性切削階段,與磨粒接觸的材料表面仍表現(xiàn)出良好的塑性變形(但下層材料發(fā)生了破壞)。
三、硬脆材料在磨粒推擠作用下的斷裂行為
脆性材料(如玻璃)與塑性材料(如金屬)在單軸拉伸、扭轉(zhuǎn)時(shí)的斷裂形式對比見下表?梢姡饘俚臄嗔逊较蚱叫杏谧畲蠹魬(yīng)力方向,符合最大剪應(yīng)力準(zhǔn)則;而玻璃的斷裂方向則垂直于最大拉應(yīng)力方向,符合最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則。
表硬脆材料與金屬材料的斷裂形式
研究表明,金屬材料在單軸或多軸壓縮時(shí)的破壞仍符合最大應(yīng)力原則,而脆性材料的破壞機(jī)理至今仍不十分清楚。在單軸壓縮或圍壓壓縮時(shí),脆性裂紋總是趨于剪切載荷最小的方向(即壓應(yīng)力最大的方向),大多數(shù)裂紋是張性的;隨著外應(yīng)力的增大,微裂紋數(shù)量不斷增加,大量微裂紋相互交錯(cuò)連接,致使脆性材料發(fā)生完全破壞。同時(shí),隨著圍壓的增大,材料的塑性也增大,微裂紋的擴(kuò)展方向?qū)⑵x最大壓應(yīng)力方向。此時(shí),一部分微裂紋的擴(kuò)展是張性的,另一部分則是剪性的;當(dāng)圍壓很高時(shí),則主要發(fā)生剪切破壞。
硬脆材料在磨粒作用下的受力情況較復(fù)雜,不能簡單歸結(jié)為張性斷裂或剪切斷裂。在磨粒刃尖附近,材料受到很高的圍壓,因此將主要產(chǎn)生剪切移動(dòng)(犁溝)或剪切破壞形成的密實(shí)核;在遠(yuǎn)離磨粒刃尖的區(qū)域,則主要發(fā)生大塊張性崩碎。
材料與磨粒兩側(cè)接觸處因受到很大張應(yīng)力而發(fā)生開裂,形成圖4所示的蹄狀裂紋(HC)。蹄狀裂紋與球體侵入時(shí)產(chǎn)生的赫茲裂紋本質(zhì)上是相同的。當(dāng)蹄狀裂紋擴(kuò)展方向與切削方向成較大角度(如接近90°)時(shí),由于受到前方阻力,促使蹄狀裂紋擴(kuò)展的張應(yīng)力很快衰減,使蹄狀裂紋停止擴(kuò)展。當(dāng)蹄狀裂紋擴(kuò)展方向與切削方向成較小角度時(shí),壓應(yīng)力使蹄狀裂紋不斷擴(kuò)展并逐漸趨于與壓應(yīng)力平行,從而導(dǎo)致溝槽兩側(cè)向產(chǎn)生豁口;當(dāng)磨粒切削到邊緣時(shí),由于s1近似為零,因此蹄狀裂紋可向兩側(cè)不停擴(kuò)展,從而產(chǎn)生崩邊。蹄狀裂紋從產(chǎn)生到擴(kuò)展都是張性的。
圖4 蹄狀裂紋示意圖
在磨粒作用下,脆性材料并不只產(chǎn)生蹄狀裂紋。事實(shí)上,在磨粒周圍整個(gè)強(qiáng)應(yīng)力作用區(qū)內(nèi)任何地方均可能發(fā)生開裂。正是由于眾多裂紋相互交貫,才使切屑呈粉碎狀而非一整塊,同時(shí)在被加工材料表面留下許多裂紋。
當(dāng)切削深度和切削寬度均很小時(shí),脆性材料不發(fā)生開裂,只形成光滑的塑性溝槽,其作用機(jī)理可用圖5所示結(jié)構(gòu)應(yīng)力強(qiáng)度因子來解釋。
圖5 裂紋應(yīng)力示意圖
如圖5所示,無限大的平板中有直徑為D的圓孔,孔內(nèi)承受均勻壓力P,孔兩邊有長度為a的裂紋。裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子為
近似認(rèn)為圓孔直徑D與磨粒切削寬度相等,壓力P與磨粒棱面與材料的接觸應(yīng)力相等,將長度為a的裂紋視為材料中的天然裂紋,則由式(5)可知,在接觸壓力和天然裂紋長度一定的情況下,切削寬度越小,強(qiáng)度因子KI越小。當(dāng)KI小于某一臨界值KIC時(shí),斷裂就不會發(fā)生。此時(shí),KIC為材料的斷裂韌度。
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