CN109015125A - 一种基于脆性去除比例系数及面粗糙度的硬脆材料延性域磨削判定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于脆性去除比例系数及面粗糙度的硬脆材料延性域磨削判定方法，属于硬脆材料磨削加工技术领域，在硬脆材料磨削加工表面选取100个取样面积S_c为观测单元，对每个观测单元表面积S_mi进行测量，取100处观测单元的平均值作为磨削表面S_k值，测量出100个取样面积的面粗糙度S_a，计算出其平均值作为磨削加工表面的面粗糙度值S_a，若同时满足S_k<10％，S_a<0.01μm，即认为硬脆材料实现了延性域磨削。本发明可精确判断硬脆材料磨削加工表面是否达到延性域磨削，克服了现有判断方法仅依赖于磨削加工表面微观形貌照片导致可信度较低的局限性。

Description

一种基于脆性去除比例系数及面粗糙度的硬脆材料延性域磨 削判定方法

技术领域

本发明涉及一种硬脆材料延性域磨削判定方法，特别是涉及一种基于脆性去除比例系数及面粗糙度的硬脆材料延性域磨削判定方法，属于硬脆材料磨削加工技术领域。

背景技术

随着现代科学技术的发展，先进陶瓷材料的发展异常迅速，先进陶瓷材料如SiC陶瓷等往往具有特殊的电子学、声光学和热力学性能，在航空航天、空间技术等领域中发挥了极其重要的作用，为了满足装配及使用要求，硬脆材料构件一般需经过机械加工，以达到零部件的尺寸形状精度和表面质量要求，由于高硬脆性特点，目前应用较为广泛的是采用金刚石砂轮进行磨削加工或者超声辅助磨削加工，在这些磨削工艺下，陶瓷材料去除方式包括：塑性去除、脆性去除和粉末化去除等，有时几种去除方式共存；但基本以脆性去除为主。

1991年，Bifano明确提出一种新的硬脆材料磨削加工工艺-延性域磨削，即：在一定的磨削条件下，任何脆性材料都可以通过磨削实现以塑性流动方式去除材料的加工技术，作为硬脆材料高质量高精度的重要加工方法，延性域磨削已引起工业界的广泛关注，尤其是在陶瓷材料的镜面磨削领域，对于磨削表面是否实现材料的延性域去除，Bifano采用脆性材料磨削表面破碎面积所占比例来判定，并规定延性域磨削应将磨削表面破碎面积比例控制在10％以下，这一方法提出以来一直被磨削界沿用至今，但这一方法有其明显的局限性，即加工表面是否实现延性域去除主要取决于加工表面微观形貌照片及个人主观判断，缺乏具体、量化的判定指标，这就导致了判断结果不够准确，主观性较强，在这种背景下，提出一种稳定、可量化、个体差异性小的硬脆材料加工表面延性域磨削判定方法迫在眉睫。

发明内容

本发明的主要目的是为了提供一种基于脆性去除比例系数及面粗糙度的硬脆材料延性域磨削判定方法，基于KeyenceVK-X100激光三维形貌测量系统的硬脆材料磨削加工表面检测，综合磨削加工表面脆性去除比例系数S_k、面粗糙度值S_a两项指标，可以量化、准确的判断硬脆材料加工表面是否实现材料的延性域去除。

本发明的目的可以通过采用如下技术方案达到：

一种基于脆性去除比例系数及面粗糙度的硬脆材料延性域磨削判定方法，基于KeyenceVK-X100激光三维形貌测量系统的硬脆材料磨削加工表面检测，包括如下步骤：

步骤1：采用磨削方法，获得表面积大于40mm×10mm的硬脆材料试样磨削表面；

步骤2：根据KeyenceVK-X100激光三维形貌测量系统工作台标尺，移动工作台选定测量面积S_d，采用KeyenceVK-X100激光三维形貌测量系统后处理分析软件，获得取样分析单元的表面积S_mi和面粗糙度S_ai；

步骤3：所述步骤2中获得的取样分析单元的表面积S_mi根据曲线轮廓特征计算，包含所有凹坑表面积，完成硬脆材料磨削加工表面检测。

进一步的，所述步骤1中，采用磨削或超声辅助磨削的磨削方法，获得表面积大于40mm×10mm的硬脆材料试样磨削表面。

进一步的，所述步骤2中，取磨削加工表面长度方向为x方向，宽度方向为y方向；根据KeyenceVK-X100激光三维形貌测量系统工作台标尺，依次沿x、y两个方向、以1mm为间距移动工作台选定测量面积S_d，直至完成100个取样区域的测量。

进一步的，所述步骤2中，采用KeyenceVK-X100激光三维形貌测量系统后处理分析软件，在每个观测单元内选定测量面积S_d为1.54mm²的取样分析单元，获得每个取样分析单元的表面积S_mi，同时获得每个1.54mm²取样分析单元的面粗糙度S_ai。

进一步的，所述步骤2中，定义脆性去除比例系数S_k，建立S_k的数学计算模型为：

其中：S_mi为测量的100个观测单元表面积；

S_c为取样分析单元测量面积。

进一步的，所述步骤2中，根据所测量的100个取样分析单元表面的面粗糙度值S_ai，建立硬脆材料磨削加工表面的面粗糙度值S_a的数学计算模型为：

其中：S_ai为100个取样分析单元表面的面粗糙度值。

进一步的，根据硬脆材料磨削加工表面的脆性去除比例系数S_k及面粗糙度值S_a，按照延性域面积达到90％计算，提出如下判定准则：

若同时满足S_k<10％，S_a<0.01μm，即认为硬脆材料实现了延性域磨削。

本发明的有益技术效果：本发明提供的基于脆性去除比例系数及面粗糙度的硬脆材料延性域磨削判定方法，主要针对硬脆材料进行磨削/超声辅助磨削等加工时，加工表面是否实现延性域磨削的准确判断，可为实现硬脆材料的高质量延性域磨削加工提供有效的检测方法，本方法能有效克服现有硬脆材料延性域磨削判定过于依赖传统方法中单纯依靠检测者目测这一具有明显个人主观色彩的缺陷，易于通过三维激光形貌测量系统的检测获得基础测量数据、进行测算并进行判定，通用性强，易于实现。

附图说明

图1为按照本发明的基于脆性去除比例系数及面粗糙度的硬脆材料延性域磨削判定方法的一优选实施例的脆性去除比例系数S_k测量计算方法示意图；

图2为按照本发明的基于脆性去除比例系数及面粗糙度的硬脆材料延性域磨削判定方法的一优选实施例的硬脆材料加工表面沿x、y方向选取测量单元方法示意图；

图3为按照本发明的基于脆性去除比例系数及面粗糙度的硬脆材料延性域磨削判定方法的一优选实施例的观测单元表面积S_mi测量计算示意图；

图4为按照本发明的基于脆性去除比例系数及面粗糙度的硬脆材料延性域磨削判定方法的一优选实施例的实施例中SiC陶瓷磨削表面微观形貌。

具体实施方式

为使本领域技术人员更加清楚和明确本发明的技术方案，下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

如图1-图4所示，本实施例提供的基于脆性去除比例系数及面粗糙度的硬脆材料延性域磨削判定方法，基于KeyenceVK-X100激光三维形貌测量系统的硬脆材料磨削加工表面检测，包括如下步骤：

步骤1：采用磨削或超声辅助磨削的磨削方法，获得表面积大于40mm×10mm的硬脆材料试样磨削表面；

步骤2：采用磨削、超声辅助磨削或其他磨削方法，获得表面积大于40mm×10mm的硬脆材料试样磨削表面；取磨削加工表面长度方向为x方向，宽度方向为y方向；根据KeyenceVK-X100激光三维形貌测量系统工作台标尺，依次沿x、y两个方向、以1mm为间距移动工作台选定测量面积S_d，直至完成100个取样区域的测量。采用KeyenceVK-X100激光三维形貌测量系统后处理分析软件，在每个观测单元内选定测量面积S_d为1.54mm²的取样分析单元，获得每个取样分析单元的表面积S_mi，同时获得每个观测单元的面粗糙度S_ai；

步骤3：所述步骤2中获得的取样分析单元的表面积S_mi根据曲线轮廓特征计算，包含所有凹坑表面积，完成硬脆材料磨削加工表面检测。

进一步的，在本实施例中，所述步骤2中，定义脆性去除比例系数S_k，建立S_k的数学计算模型为：

其中：S_mi为测量的100个观测单元表面积；

S_c为取样分析单元测量面积。

进一步的，在本实施例中，所述步骤2中，根据所测量的100个取样分析单元表面的面粗糙度值S_ai，建立硬脆材料磨削加工表面的面粗糙度值S_a的数学计算模型为：

其中：S_ai为100个取样分析单元表面的面粗糙度值。

进一步的，根据硬脆材料磨削加工表面的脆性去除比例系数S_k及面粗糙度值S_a，按照延性域面积达到90％计算，提出如下判定准则：

若同时满足S_k<10％，S_a<0.01μm，即认为硬脆材料实现了延性域磨削。

在本实施例中，如图1所示，本实施例所涉及的基于KeyenceVK-X100激光三维形貌测量系统的硬脆材料磨削加工表面检测，其表面积应大于40mm×10mm。通过检测，获得观测单元表面积S_mi，同时获得每个观测单元表面的面粗糙度S_ai。

在本实施例中，如图2所示，依据KeyenceVK-X100激光三维形貌测量系统工作台，依次按照图中所标示顺序(x→y→x→y→x，以此类推)，按照相邻观测单元中心距为1mm移动被测试样，直至测量完毕100个观测单元。

在本实施例中，如图3所示，采用KeyenceVK-X100激光三维形貌测量系统后处理分析软件，在每个观测单元内选定测量面积S_d为1.54mm²的取样分析单元，获得每个取样分析单元的表面积S_mi，同时获得每个取样分析单元的面粗糙度S_ai。其中，每个取样分析单元表面积S_mi包含所有凹坑表面积，根据曲线轮廓特征通过KeyenceVK-X100激光三维形貌测量系统后处理分析软件计算获得。

在本实施例中，如图4所示，在进行每个取样分析单元的表面积S_mi测量的同时，采用KeyenceVK-X100激光三维形貌测量系统后处理分析软件测量计算出每个观测单元的面粗糙度S_ai。

在本实施例中，在获得100个观测单元的表面积S_mi及面粗糙度S_ai的数据后，按照公式(1)定义的磨削加工表面脆性比例系数S_k与公式(2)定义的磨削加工表面粗糙度值S_a进行计算，并通过将计算结果与硬脆材料加工表面延性域磨削判定准则：S_k<10％、S_a<0.01μm进行比较，从而判定硬脆材料是否实现延性域磨削。

在本实施例中，下面结合图2、图3、图4及具体实验条件，详细说明本实施例中硬脆材料磨削加工表面脆性去除比例系数S_k与面粗糙度值S_a的计算过程及磨削加工表面是否实现延性域磨削的判定。

在本实施例中，磨削加工表面脆性比例系数S_k与表面粗糙度值S_a的计算过程如下：

a、在磨削参数：磨削速度v_s＝30m/s，磨削深度a_p＝2μm，进给速度v_w＝200mm/min条件下，获得40mm×10mmSiC陶瓷试样磨削加工表面；

b、对a中所获得的磨削加工表面观测单元的表面积S_mi及面粗糙度S_ai进行测量，测量方法及取样顺序如图2所示，直至测量100个观测单元为止，每个观测单元取样面积均为1.54mm²，取样分析完毕后，采用KeyenceVK-X100激光三维形貌测量系统后处理分析软件测量出每个观测单元的表面积S_mi，测量结果直接显示在图中，如图3所示，同时测量出每个观测单元的面粗糙度S_ai；

c、记录所有100个观测单元的表面积S_mi及面粗糙度S_ai，按照公式(1)与公式(2)，计算出SiC陶瓷磨削加工表面的表面脆性去除比例系数S_k与面粗糙度值S_a，并与硬脆材料加工表面延性域磨削判定准则S_k<10％、S_a<0.01μm进行比较，判定硬脆材料是否实现延性域磨削；

d、经计算，实施例中所获得的SiC陶瓷试样磨削加工表面脆性去除比例系数S_k＝4％，面粗糙度值为S_a0.0087μm，满足延性域磨削判定准则，表明在a所述的磨削工艺参数条件下，SiC陶瓷可实现延性域磨削。图4中SiC陶瓷磨削表面微观形貌也证明SiC陶瓷磨削加工表面材料主要以塑性方式去除，表明本发明中所述的硬脆材料延性域磨削判定准则是可靠的。

综上所述，在本实施例中，本实施例提供的基于脆性去除比例系数及面粗糙度的硬脆材料延性域磨削判定方法，主要针对硬脆材料进行磨削/超声辅助磨削等加工时，加工表面是否实现延性域磨削的准确判断，可为实现硬脆材料的高质量延性域磨削加工提供有效的检测方法，本方法能有效克服现有硬脆材料延性域磨削判定过于依赖传统方法中单纯依靠检测者目测这一具有明显个人主观色彩的缺陷，易于通过三维激光形貌测量系统的检测获得基础测量数据、进行测算并进行判定，通用性强，易于实现。

以上所述，仅为本发明进一步的实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明所公开的范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于脆性去除比例系数及面粗糙度的硬脆材料延性域磨削判定方法，基于KeyenceVK-X100激光三维形貌测量系统的硬脆材料磨削加工表面检测，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：采用磨削方法，获得表面积大于40mm×10mm的硬脆材料试样磨削表面；

步骤2：根据KeyenceVK-X100激光三维形貌测量系统工作台标尺，移动工作台选定测量面积S_d，采用KeyenceVK-X100激光三维形貌测量系统后处理分析软件，获得取样分析单元的表面积S_mi和面粗糙度S_ai；

步骤3：所述步骤2中获得的取样分析单元的表面积S_mi根据曲线轮廓特征计算，包含所有凹坑表面积，完成硬脆材料磨削加工表面检测。

2.如权利要求1所述的一种基于脆性去除比例系数及面粗糙度的硬脆材料延性域磨削判定方法，其特征在于，所述步骤1中，采用磨削或超声辅助磨削的磨削方法，获得表面积大于40mm×10mm的硬脆材料试样磨削表面。

3.如权利要求1所述的一种基于脆性去除比例系数及面粗糙度的硬脆材料延性域磨削判定方法，其特征在于，所述步骤2中，取磨削加工表面长度方向为x方向，宽度方向为y方向；根据KeyenceVK-X100激光三维形貌测量系统工作台标尺，依次沿x、y两个方向、以1mm为间距移动工作台选定测量面积S_d，直至完成100个取样区域的测量。

4.如权利要求1所述的一种基于脆性去除比例系数及面粗糙度的硬脆材料延性域磨削判定方法，其特征在于，所述步骤2中，采用KeyenceVK-X100激光三维形貌测量系统后处理分析软件，在每个观测单元内选定测量面积S_d为1.54mm²的取样分析单元，获得每个取样分析单元的表面积S_mi，同时获得每个1.54mm²取样分析单元的面粗糙度S_ai。

5.如权利要求4所述的一种基于脆性去除比例系数及面粗糙度的硬脆材料延性域磨削判定方法，其特征在于，所述步骤2中，定义脆性去除比例系数S_k，建立S_k的数学计算模型为：

其中：S_mi为测量的100个观测单元表面积；

S_c为取样分析单元测量面积。

6.如权利要求5所述的一种基于脆性去除比例系数及面粗糙度的硬脆材料延性域磨削判定方法，其特征在于，所述步骤2中，根据所测量的100个取样分析单元表面的面粗糙度值S_ai，建立硬脆材料磨削加工表面的面粗糙度值S_a的数学计算模型为：

其中：S_ai为100个取样分析单元表面的面粗糙度值。

7.如权利要求6所述的一种基于脆性去除比例系数及面粗糙度的硬脆材料延性域磨削判定方法，其特征在于，根据硬脆材料磨削加工表面的脆性去除比例系数S_k及面粗糙度值S_a，按照延性域面积达到90％计算，提出如下判定准则：

若同时满足S_k<10％，S_a<0.01μm，即认为硬脆材料实现了延性域磨削。