CN110064974B

CN110064974B - 一种采用表层增韧抑制硬脆材料磨削加工崩裂损伤的方法

Info

Publication number: CN110064974B
Application number: CN201910336336.8A
Authority: CN
Inventors: 唐修检; 刘谦; 谭俊; 王帆; 吴志远; 杜军; 王龙; 杨理钧; 孟凡卓
Original assignee: Academy of Armored Forces of PLA
Current assignee: Academy of Armored Forces of PLA
Priority date: 2019-04-25
Filing date: 2019-04-25
Publication date: 2020-05-15
Anticipated expiration: 2039-04-25
Also published as: CN110064974A

Abstract

本发明属于硬脆材料磨削加工领域，涉及一种采用表层增韧抑制硬脆材料磨削加工崩裂损伤的方法，该方法包括：按一定的比例配制增韧剂，使得配制后的增韧剂具有渗透能力强、润湿性能好、固化速度快的特点；将配制好的增韧剂均匀涂覆在待加工陶瓷表面边缘；磨削陶瓷，并边磨削边在磨削过的陶瓷表面边缘涂覆增韧剂；磨削完成后，应用超声波清洗陶瓷表面边缘渗入的增韧剂。按本发明的方法涂覆本发明的增韧剂后，不仅可减轻硬脆材料边缘的崩碎损伤程度，还可提升硬脆材料的整体加工质量，降低加工成本，进一步推动硬脆材料的实际应用。

Description

一种采用表层增韧抑制硬脆材料磨削加工崩裂损伤的方法

技术领域

本发明涉及硬脆材料磨削加工领域，具体是涉及一种采用表层增韧抑制硬脆材料磨削加工崩裂损伤的方法。

背景技术

硬脆材料由于其优异的性能日益受到工程技术人员的青睐，但其高硬度、高脆性也给其机械加工带来了极大的困难，成为束缚其在航空、航天、汽车、军工等领域得以广泛应用的瓶颈。当前，硬脆材料加工工艺80％是采用金刚石工具进行磨削加工。磨削加工是一种通过磨料对被加工工件实行有限度损伤的加工方式，在获得尺寸精度、形状精度及表面粗糙度的同时，也会引起工件加工表面的损伤，破坏其表面完整性，特别是在磨削过程中，当金刚石工具突然接触或离开工件时，工件的边缘极易产生崩裂损伤。崩裂损伤随机性大，难于控制，它不但破坏工件的几何精度，增加加工成本，还极易导致元件在服役过程中突然失效。减轻或消除硬脆材料磨削过程中的崩裂损伤对提高工件的加工品质，降低加工成本具有重要意义。当前，控制硬脆材料磨削过程中崩裂损伤的方法可大致归结为磨削参数控制法、辅助加热控制法和辅助支撑控制法三类。

对于磨削参数控制法，在硬脆材料磨削过程中，其边缘质量不但受材料自身特性的影响，还与砂轮特性、磨床性能及磨削时的工艺参数等多种因素相关，且这些因素交互作用，共同影响着工件边缘的磨削质量。如砂轮转速越高，磨削质量越好，但砂轮的磨损会非常严重；砂轮磨粒越小，崩裂损伤越小，但磨削效率会降低；工作台进给速度越大，材料去除率越高，但进给速度太高又会导致崩裂损伤严重。同样，工作台转速的大小也会影响硬脆材料磨削后的崩裂损伤程度。因此，如何优化这些工艺参数，以便获得最佳的工件边缘，就成为控制边缘磨削质量的关键。传统的方法是采用不同的工艺参数，进行大量的工艺试验来优化出最佳磨削条件，从而提高边缘磨削质量。当前，磨削参数控制法仍是抑制硬脆材料崩裂损伤的主要方法，但该方法的最大缺点就是费时费力，成本高昂，特别是受设备精度、工人技能和材料性能等因素的影响很大。

研究发现，绝大部分硬脆材料在温度超过1000℃时，机械强度会明显下降，硬度也有所降低。因此，从理论上讲，采用辅助加热切削的方式能有效克服硬脆材料的高硬度和高脆性，抑制崩裂损伤的产生。根据加热热源的不同，目前常用于硬脆材料的辅助加热切削方式主要有氧乙炔、激光和微波三种。实践证明，辅助加热磨削的方式可有效减轻各种硬脆材料的崩裂损伤，但不管采用哪种加热方式，目前都存在两个难以解决的问题：一是硬脆材料对热量非常敏感，在现阶段还很难实现对加热能量和加热区域的精准控制；二是随着被加热工件温度的升高，金刚石砂轮在切削过程中易于因导热而温度升高，从而导致强度下降，刀具使用寿命减短。

辅助支撑控制法主要针对于出口崩裂损伤。根据损伤位置的不同，崩裂损伤又可分为入口崩裂损伤、内部崩裂损伤和出口崩裂损伤三种类型，其中出口崩裂损伤在三类损伤形式中最为严重，这主要是由于砂轮离开工件时，工件边缘承受拉应力，而硬脆材料抗拉强度较差，出口处又缺乏支撑造成的。因此，从理论上讲，通过在出口处施加一定的压应力就可有效抑制硬脆材料出口崩裂损伤的产生。理论分析认为，只有当施加的压应力大于工件边缘承受的拉应力时，出口崩裂损伤才能得到有效抑制。因此，当前采用辅助支撑控制法时主要选用刚性材料作为支撑，其存在的最大缺点就是加工时工件装夹困难，只能适用于板状等形状简单的工件。

诸多有益的研究成果减轻了硬脆材料磨削过程中的崩裂损伤程度，提升了加工品质。但这些方法都是从材料去除机理的角度通过控制工艺参数来降低崩裂损伤程度，对磨削过程中材料表层的断裂强度关注较少。事实上，硬脆材料的失效往往始于表面或近表面处的缺陷，其表层断裂强度是影响崩裂损伤产生的关键因素。在磨削过程中，硬脆材料表层常会残留10～50μm的损伤层，这些损伤层包含了大量微裂纹、微间隙，而硬脆材料的塑性变形能力较差，对表层的微缺陷非常敏感，在砂轮的持续动态作用下，这些微裂纹、微间隙又极易扩展诱发出新的微裂纹，从而使得材料表层的断裂强度大幅度衰减。当作用在硬脆材料表层的磨削力超过工件边缘微裂纹尖端的应力强度因子时，这些微裂纹就会迅速朝工件的自由表面扩展，从而产生崩裂损伤。因此，通过改善硬脆材料磨削过程中的表层断裂韧性，提高材料自身抵抗裂纹扩展的能力，是从源头上减轻甚至消除崩裂损伤的新思路。专利CN109534690公开了一种磁力增韧抑制硬脆材料加工损伤的方法，但该方法需要将硬脆材料浸入充满磁流变液的装夹模具中，加工时，施加以可控的磁场，使磁流变液渗入硬脆材料表层的孔隙、裂纹等缺陷内部，硬脆材料表层缺陷内部磁流变液固化而形成封孔增韧机制，操作难度和成本较高。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，针对硬脆材料磨削过程中的崩裂损伤难题，提供一种采用表层增韧抑制硬脆材料磨削加工崩裂损伤的新方法，该方法通过实时改善硬脆材料磨削过程中的表层断裂韧性，提高材料自身抵抗裂纹扩展的能力，从而减轻甚至消除硬脆材料崩裂损伤。这种方法具有成本低廉、工艺简单，便于装夹，易于推广等优点，特别适合于硬脆材料的精密超精密加工。

为达到本发明的目的，本发明采用表层增韧抑制硬脆材料磨削加工崩裂损伤的方法包括以下步骤：

(1)配制增韧剂；

(2)将步骤(1)中配制好的增韧剂均匀涂覆在待加工硬脆材料表面边缘；

(3)磨削工件，并边磨削边在磨削过的硬脆材料表面边缘涂覆步骤(1)中的增韧剂；

(4)磨削完成后，应用超声波清洗硬脆材料表面边缘渗入的增韧剂。

本发明中，所述增韧剂包含溶质和溶剂，其中溶质包含酚醛树脂、甘油酯树脂、乙烯树脂、环氧树脂中的任意一种，溶剂为无水乙醇等。

优选地，本发明中所述溶质与溶剂的体积比在1:5～1:8之间，具体的可以在此范围内根据硬脆材料的不同进行微调，总体上要使得配制的增韧剂具有渗透能力强、润湿性能好、固化速度快的特点。

优选地，当所述增韧剂的溶质为环氧树脂时，溶质中还包含邻苯二甲酸二辛脂，且环氧树脂与邻苯二甲酸二辛脂的质量比为1:1～1:3。

优选地，当所述增韧剂的溶质为乙烯树脂时，溶质中还包含端羧基丁腈橡胶，且乙烯树脂与端羧基丁腈橡胶的质量比为1:1～1:2。

本发明中，所述的增韧剂在硬脆材料表面边缘的渗透深度可达3～5μm。

优选地，本发明中所述硬脆材料包括氮化硅、氧化铝、氧化锆或碳化硅。

本发明中，所述磨削加工时，磨削深度要控制在0.03mm以内。

本发明中，所述磨削加工时，磨床砂轮转速为1900-2100r/min，送料速度不大于6m/min。

本发明中，所述超声波清洗中清洗剂可为无水乙醇类溶剂。

本发明具有如下的有益效果：

1.涂覆增韧剂后，从对涂覆后工件磨削加工后的边缘损伤看，此方法可以大幅度减轻硬脆材料磨削时边缘产生的崩碎损伤，提高硬脆材料的加工质量；

2.未涂覆增韧剂时，为减轻硬脆材料的崩碎损伤，磨削参数的选取都比较保守，磨削效率较低，而按本发明的方法涂覆本发明的增韧剂后，在保证硬脆材料边缘磨削加工质量的同时，还可大幅度提高加工效率；

3.涂覆本发明的增韧剂后，不仅减轻了硬脆材料边缘的崩碎损伤程度，还提升了硬脆材料的整体加工质量，降低了加工成本，进一步推动了硬脆材料的实际应用。

附图说明

图1为涂覆增韧剂时氮化硅陶瓷的表面形貌；

图2为涂覆酚醛树脂后氮化硅陶瓷的表面形貌；

图3为未采用增韧剂增韧时氮化硅陶瓷磨削后的边缘损伤形貌；

图4为实施例1中采用酚醛树脂增韧后氮化硅陶瓷磨削后的边缘损伤形貌；

图5为实施例2中采用环氧树脂、邻苯二甲酸二辛脂增韧后氮化硅陶瓷磨削后的边缘损伤形貌；

图6为实施例3中采用乙烯树脂、端羧基丁腈橡胶增韧后氮化硅陶瓷磨削后的边缘损伤形貌；

图7为实施例4中采用酚醛树脂增韧后氮化硅陶瓷磨削后的边缘损伤形貌；

图8为实施例5中采用端羧基丁腈橡胶增韧后氮化硅陶瓷磨削后的边缘损伤形貌；

图9为实施例6中采用苯乙烯-丁二烯热塑性弹性体增韧后氮化硅陶瓷磨削后的边缘损伤形貌。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。应当理解，以下描述仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本文中所用的术语“包含”、“包括”、“含有”或其任何其它变形，意在覆盖非排它性的包括。例如，包含所列要素的组合物、步骤、方法、制品或装置不必仅限于那些要素，而是可以包括未明确列出的其它要素或此种组合物、步骤、方法、制品或装置所固有的要素。

当量、浓度、或者其它值或参数以范围、优选范围、或一系列上限优选值和下限优选值限定的范围表示时，这应当被理解为具体公开了由任何范围上限或优选值与任何范围下限或优选值的任一配对所形成的所有范围，而不论该范围是否单独公开了。例如，当公开了范围“1至5”时，所描述的范围应被解释为包括范围“1至4”、“1至3”、“1至2”、“1至2和4至5”、“1至3和5”等。当数值范围在本文中被描述时，除非另外说明，否则该范围意图包括其端值和在该范围内的所有整数和分数。

本发明要素或组分前的不定冠词“一种”和“一个”对要素或组分的数量要求(即出现次数)无限制性。因此“一个”或“一种”应被解读为包括一个或至少一个，并且单数形式的要素或组分也包括复数形式，除非所述数量明显只指单数形式。

此外，本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提出的一种采用表层增韧抑制硬脆材料磨削加工崩裂损伤的方法，主要包括以下步骤：

(1)配制增韧剂；

上述方法中，所述磨削加工时，磨削深度要控制在0.03mm以内；所述磨削加工时，磨床砂轮转速为1900-2100r/min，送料速度不大于6m/min；所述超声波清洗中清洗剂可为无水乙醇类溶剂。

本发明中，所述增韧剂包含溶质和溶剂，其中溶质包含酚醛树脂、甘油酯树脂、乙烯树脂、环氧树脂中的任意一种，溶剂为无水乙醇等。所述溶质与溶剂的体积比在1:5～1:8之间，具体的可以在此范围内根据硬脆材料的不同进行微调，总体上要使得配制的增韧剂具有渗透能力强、润湿性能好、固化速度快的特点。

本发明中，所述涂覆要覆盖磨削表面的边缘区域。

本发明的基本原理如下：

硬脆材料的崩裂损伤归根到底是在能量驱动下的一种状态失稳现象。在外加载荷的作用下，晶粒主要通过弹性变形将外界输入的能量转化为弹性应变能积聚在材料内。随着外加载荷的不断增加，当晶粒积聚的弹性应变能超过其所能负载的极值时，材料内部的微裂纹就会扩展，形成宏观裂纹，崩裂损伤产生，并向外界释放能量。由于硬脆材料内部的晶粒不易产生位错运动，塑性变形很小，因此硬脆材料的弹性极限与断裂韧性极限非常接近。

但当在硬脆材料表层的微裂纹、微间隙中填充增韧剂后，晶粒的弹性变形将挤压增韧剂，导致增韧剂产生塑性变形，并作为一种能量吸收单元吸收大量的能量，从而提升硬脆材料的表层断裂韧性，降低微裂纹尖端的应力强度因子，阻止表层微裂纹的进一步扩展，达到减轻或消除崩裂损伤的目的。其增韧机理与弹性体增韧是一致的。另一方面，增韧剂也可能会在界面与环境介质(如磨削液等)快速发生化学反应，生成玻璃封填剂，阻塞孔隙和微裂纹的扩散通道，实现表面裂纹的自愈合。本发明的发明人尝试过多种增韧剂后，经过试验发现按本发明的方法使用酚醛树脂、甘油酯树脂、乙烯树脂、环氧树脂等作为溶质，无水乙醇作为溶剂，控制溶质与溶剂的体积比在1:5～1:8之间时可以有效的抑制硬脆材料磨削加工崩裂损伤。

实施例1

以酚醛树脂为增韧剂溶质，无水乙醇为溶剂对Si₃N₄陶瓷磨削加工时进行表层实时增韧。Si₃N₄陶瓷具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损、密度轻、热膨胀系数小等优点，但由于其脆性大在磨削加工时极易产生崩裂损伤。在此采用本发明的方法对磨削过程中的Si₃N₄陶瓷进行表层实时增韧，验证该方法的可行性。依次按照以下步骤进行实施：

1)以酚醛树脂为增韧剂溶质，无水乙醇为溶剂，按照溶质与溶剂的体积比1:6配制增韧剂。

2)将尺寸为80×40×10mm的反应烧结Si₃N₄陶瓷块固定在平面磨床上，在80×10mm的磨削表面边缘上涂覆增韧剂。

3)设定磨床砂轮转速为2000r/min，送料速度为5m/min，磨削深度a_p＝0.02mm。采用的金刚石砂轮尺寸为200×6-20×Φ31.75mm，金刚石粒度为80^#。

4)磨削陶瓷表面，包含其边缘。

5)应用毛刷蘸取增韧剂涂覆在陶瓷磨削表面边缘，并使得增韧剂覆盖住陶瓷工件磨削表面的边缘。

6)重复步骤4)和5)。

7)磨削结束后，应用超声波清洗磨削过的陶瓷试样，清洗剂为无水乙醇。

实施例2

以环氧树脂、邻苯二甲酸二辛脂为增韧剂溶质，无水乙醇为溶剂对Si₃N₄陶瓷磨削加工时进行表层实时增韧。依次按照以下步骤进行实施：

1)以环氧树脂、邻苯二甲酸二辛脂为增韧剂溶质，无水乙醇为溶剂，按照溶质与溶剂的体积比1:8配制增韧剂，其中，环氧树脂与邻苯二甲酸二辛脂的质量比为1:2。

3)设定磨床砂轮转速为2000r/min，送料速度为6m/min，磨削深度a_p＝0.02mm。采用的金刚石砂轮尺寸为200×6-20×Φ31.75mm，金刚石粒度为80^#。

4)磨削陶瓷表面，包含其边缘。

6)重复步骤4)和5)。

实施例3

以乙烯树脂、端羧基丁腈橡胶为增韧剂溶质，无水乙醇为溶剂对Si₃N₄陶瓷磨削加工时进行表层实时增韧。依次按照以下步骤进行实施：

1)以乙烯树脂为增韧剂、端羧基丁腈橡胶为增韧剂溶质，无水乙醇为溶剂，按照溶质与溶剂的体积比1:5配制增韧剂，其中，乙烯树脂与端羧基丁腈橡胶的质量比为1:1.5。

4)磨削陶瓷表面，包含其边缘。

6)重复步骤4)和5)。

实施例4

以酚醛树脂为增韧剂溶质，无水乙醇为溶剂对Si₃N₄陶瓷磨削加工时进行表层实时增韧。依次按照以下步骤进行实施：

1)以酚醛树脂为增韧剂溶质，无水乙醇为溶剂，按照溶质与溶剂的体积比1:4配制增韧剂。

4)磨削陶瓷表面，包含其边缘。

6)重复步骤4)和5)。

实施例5

以端羧基丁腈橡胶为增韧剂溶质，无水乙醇为溶剂对Si₃N₄陶瓷磨削加工时进行表层实时增韧。依次按照以下步骤进行实施：

1)以端羧基丁腈橡胶为增韧剂溶质，无水乙醇为溶剂，按照溶质与溶剂的体积比1:8配制增韧剂。

4)磨削陶瓷表面，包含其边缘。

6)重复步骤4)和5)。

实施例6

以苯乙烯-丁二烯热塑性弹性体(SBS)为增韧剂溶质，无水乙醇为溶剂对Si₃N₄陶瓷磨削加工时进行表层实时增韧。依次按照以下步骤进行实施：

1)以苯乙烯-丁二烯热塑性弹性体(SBS)为增韧剂溶质，无水乙醇为溶剂，按照溶质与溶剂的体积比1:8配制增韧剂。

4)磨削陶瓷表面，包含其边缘。

6)重复步骤4)和5)。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种采用表层增韧抑制硬脆材料磨削加工崩裂损伤的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

（1）配制增韧剂；

（2）将步骤（1）中配制好的增韧剂均匀涂覆在待加工硬脆材料表面边缘；

（3）磨削工件，并边磨削边在磨削过的硬脆材料表面边缘涂覆步骤（1）中的增韧剂；

（4）磨削完成后，应用超声波清洗硬脆材料表面边缘渗入的增韧剂；

所述增韧剂包含溶质和溶剂，其中溶质包含酚醛树脂、甘油酯树脂、乙烯树脂、环氧树脂中的任意一种，溶剂为无水乙醇；所述溶质与溶剂的体积比在1:5~1:8之间；当所述增韧剂的溶质为环氧树脂时，溶质中还包含邻苯二甲酸二辛脂，且环氧树脂与邻苯二甲酸二辛脂的质量比为1:1~1:3；当所述增韧剂的溶质为乙烯树脂时，溶质中还包含端羧基丁腈橡胶，且乙烯树脂与端羧基丁腈橡胶的质量比为1:1~1:2。

2.根据权利要求1所述的采用表层增韧抑制硬脆材料磨削加工崩裂损伤的方法，其特征在于，所述的增韧剂在硬脆材料表面边缘的渗透深度可达3~5μm。

3.根据权利要求1所述的采用表层增韧抑制硬脆材料磨削加工崩裂损伤的方法，其特征在于，所述硬脆材料包括氮化硅、氧化铝、氧化锆或碳化硅。

4.根据权利要求1所述的采用表层增韧抑制硬脆材料磨削加工崩裂损伤的方法，其特征在于，所述磨削工件时，磨削深度要控制在0.03mm以内。

5.根据权利要求1所述的采用表层增韧抑制硬脆材料磨削加工崩裂损伤的方法，其特征在于，所述磨削工件时，磨床砂轮转速为1900-2100r/min，送料速度不大于6m/min。

6.根据权利要求1所述的采用表层增韧抑制硬脆材料磨削加工崩裂损伤的方法，其特征在于，所述超声波清洗中清洗剂为无水乙醇。