[发明专利]陶瓷材料的预应力磨削加工方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种陶瓷材料磨的加工方法。

背景技术

陶瓷是一种高硬度和高脆性的难加工材料，在加工过程中由于其硬脆性 极易形成加工裂纹，从而造成表面损伤，降低了陶瓷工件的稳定性和可靠性， 因此对工程中使用的陶瓷工件加工质量要求非常苛刻。目前在工业生产中陶 瓷的主要加工方法是磨削加工，而磨削加工是所有机械加工方法中成本最高 的一种。陶瓷工件加工成本有时可高达整个陶瓷工件成本的80％以上，显然陶 瓷工件的加工高成本以及难以控测的加工表面损伤，使其广泛地应用受到限 制。然而在普通条件下磨削陶瓷时，磨粒与工件形成赫兹应力区，导致陶瓷 工件表面产生微裂纹，裂纹的扩展与贯通形成切屑，其中主要产生两类裂纹 系统：中位裂纹和横向裂纹，而材料强度的降低通常是由中位裂纹的扩展和 残余应力引起的，横向裂纹引起材料的去除。所以控制中位裂纹的扩展深度 有助于提高材料的强度。迄今为止较为满意的陶瓷材料加工方法就是金刚石 砂轮磨削。此类磨削加工的目标是在保持足够的尺寸精度和表面完整性的同 时获得大的材料去除率。然而，采用大的材料去除率虽可降低加工成本，但 又会受到表面/亚表面损伤导致陶瓷工件强度降低的限制。加之采用该加工方 法难以获得镜面，主要是由于砂轮粒度太细时，砂轮表面容易被切屑堵塞； 并且目前大都采用超精密机床进行加工和研究，但这类机床成本高，需大量 投资。若能通过新的工艺方法在普通机床上完成，会大大降低费用。用常规 的加工工艺，陶瓷材料以断裂方式去除，极易产生破碎和裂纹，既要求高加 工精度，又要求低表面粗糙度是很困难的，因此只有发展先进的工艺方法， 获取高效的加工工艺参数才能使陶瓷器件得到更广泛的应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种既能降低加工损伤，又能提高工效的陶瓷材料 磨削加工方法。

本发明的目的是通过如下方式实现的：一种陶瓷材料的预压应力磨削加 工方法：

首先测试得到被加工陶瓷材料工件的抗压强度；其次用预应力施加装置 对陶瓷材料工件施加相应的预压应力；然后将带有预应力施加装置的陶瓷材 料工件置于磨床上进行磨削加工；磨削加工中，预应力施加装置施加的预压 应力大小为陶瓷材料的抗压强度的0.05-0.7倍；预压应力的施加方向与磨削 方向平行或垂直。

磨削加工中，施加的预压应力大小保持不变。

本发明具有如下的有益效果，1.从对表面/亚表面造成的损伤来看，此加 工方法提高了陶瓷工件加工质量的稳定性和可靠性；2.在工件的粗磨过程中， 可以增大磨削深度，从而提高了生产效率而不会产生较深的加工损伤；3.不 仅可以在普通磨床上进行高效低损伤磨削加工，降低了加工成本，而且为陶 瓷工件的高精度低损伤加工提供了新的加工工艺路线；4.完善和发展陶瓷磨 削加工新技术，寻求高效超精密延性域磨削加工新工艺，进一步推动工程陶 瓷的工程实际应用。

附图说明

图1是本发明陶瓷材料预应力磨削加工的原理图，图中P为垂直作 用于磨粒上的载荷，b为塑性区域的曲率半径，h为横向裂纹距已加工表 面的距离；

图2是本发明陶瓷材料预应力磨削加工的示意图，图中O为砂轮的 圆心，a为磨削深度，v_s为砂轮的转速，v_w为工件进给速度，σ为施加于 工件的预应力；

具体实施方式

本发明的主要原理是：以压痕断裂力学和弹塑性力学为理论基础，其原 理图如附图1所示。分析陶瓷材料在磨削加工过程中产生的两类裂纹系统： 中位裂纹和横向裂纹。其中中位裂纹向材料表面正下方扩展，并残留在加工 完的陶瓷工件内部；横向裂纹会随着法向载荷的卸除而扩展到材料表面以形 成材料的去除。通过对被加工陶瓷件施加预应力，裂纹扩展规律随之发生了 改变。在陶瓷材料的强度范围内，随着预应力的增大，裂纹不容易沿材料下 方扩展，而沿材料的两侧扩展成侧向裂纹，使材料去除；并且预应力越大， 侧向裂纹扩展的长度越短，从而使材料以更小的碎片被去除。

下面通过具体的实施方式，对本发明的技术方案作进一步的详细说明。