專利名稱：納米結(jié)構(gòu)陶瓷涂層材料的精密磨削技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種磨削加工工藝技術(shù)，特別是涉及一種納米結(jié)構(gòu)陶瓷涂層材料的精密磨削技術(shù)。
背景技術(shù)：
隨著材料科學(xué)的發(fā)展，出現(xiàn)了納米結(jié)構(gòu)材料技術(shù)。當(dāng)材料的晶粒尺寸減小到納米級(幾十納米)時，就得到一種新材料，即“納米結(jié)構(gòu)材料”，其泛指粒徑在1-100nm范圍內(nèi)的納米粉末以及納米多孔材料和納米多致密材料，種類包括金屬、氧化物、無機(jī)化合物和有機(jī)化合物等。目前來說，由于受燒結(jié)和團(tuán)聚等難題的困擾，制備納米結(jié)構(gòu)陶瓷塊體材料還存在一定的技術(shù)困難。為發(fā)揮納米材料的優(yōu)異性能，制備納米結(jié)構(gòu)陶瓷涂層已成為一條重要途經(jīng)。近年來，人們已在金屬基體上采用高速火焰噴涂(HOVF)和等離子噴涂方法分別制備納米結(jié)構(gòu)WC/Co涂層材料和納米結(jié)構(gòu)Al2O3/TiO2涂層材料。
納米結(jié)構(gòu)陶瓷涂層材料具有相當(dāng)大的應(yīng)用前景。不過其要獲得工業(yè)化應(yīng)用不但取決于其納米結(jié)構(gòu)涂層制備(組裝)技術(shù)，更取決于其后續(xù)的精密加工技術(shù)。
納米結(jié)構(gòu)陶瓷涂層材料的高硬度和高耐磨損特性使其成為一種難加工材料。通常，磨削用量、砂輪特性、材料特性及顯微結(jié)構(gòu)等磨削參數(shù)對磨削損傷的產(chǎn)生及損傷特征起決定作用。包括納米結(jié)構(gòu)陶瓷涂層在內(nèi)的工程陶瓷材料，其材料特性是硬度高，斷裂韌性指標(biāo)低，磨削時易產(chǎn)生表面/亞表面損傷，這些損傷包括微觀裂紋、材料粉末化、宏觀裂紋(如中位/徑向裂紋和橫向裂紋)、材料碎裂、材料壓碎、相變、殘余應(yīng)力、孔隙及疏松區(qū)塌坑等。陶瓷(涂層)材料去除時可能產(chǎn)生的表面/亞表面損傷將會引起陶瓷材料元件強(qiáng)度和耐磨性的降低，會改變材料特性，嚴(yán)重的損傷甚至?xí)斐闪慵氖?。隨著現(xiàn)代成形工藝的發(fā)展，工程陶瓷成型質(zhì)量已經(jīng)有了顯著的改善，材料缺陷的尺寸和數(shù)量已經(jīng)大大減小，陶瓷元件上的損傷主要來自于磨削加工或其它加工工藝。目前，人們對工程陶瓷(陶瓷涂層)的磨削表面/亞表面損傷的形式、本質(zhì)和損傷深度還沒有完全弄清楚，因而增加了陶瓷材料在結(jié)構(gòu)應(yīng)用中的不確定性和危險性。
高效精密磨削加工納米結(jié)構(gòu)陶瓷涂層(工程陶瓷)的根本目標(biāo)是在保持足夠的尺寸精度和材料表面完整性及足夠的陶瓷材料強(qiáng)度和耐磨性的同時，獲得最大的材料去除率，最終實現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)陶瓷涂層(工程陶瓷)的高效、經(jīng)濟(jì)、優(yōu)質(zhì)、低損傷的加工。然而，通過采用大材料去除率降低加工成本，又主要受到那些將導(dǎo)致納米結(jié)構(gòu)陶瓷涂層元件耐磨性能損失的表面/亞表面損傷所限制。
對納米結(jié)構(gòu)陶瓷涂層材料的磨削加工方法與傳統(tǒng)材料的磨削加工方法不同，磨削時磨削參數(shù)對其精密磨削的磨削力、磨削力分力比、磨削比能、磨削表面粗糙度、磨削后表面/亞表面損傷(宏觀裂紋)、材料去除機(jī)理等可磨削性指標(biāo)的影響都與傳統(tǒng)材料的磨削加工方法不同。
對于近年來出現(xiàn)的納米結(jié)構(gòu)陶瓷涂層的精密磨削方法，人們?nèi)狈ζ渚苣ハ鳈C(jī)理和磨削工藝參數(shù)，這將使得其加工時間長和加工成本高，而且加工質(zhì)量得不到保證。目前人們對工程陶瓷材料也未建立起完善的精密磨削機(jī)理和磨削工藝參數(shù)理論體系，使得對這種材料的加工時間長，制造成本高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種在獲得良好的幾何精度和表面質(zhì)量的前提下加工效率高、制造成本低的納米結(jié)構(gòu)陶瓷涂層材料的精密磨削技術(shù)。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明通過大量的實驗研究和理論建模及分析，研究磨削參數(shù)(包括磨削用量、砂輪特性、材料特性參數(shù)及涂層顯微結(jié)構(gòu)等)對納米結(jié)構(gòu)陶瓷涂層精密磨削的可磨削性指標(biāo)的影響規(guī)律；結(jié)合磨削后表面/亞表面的SEM等形貌觀測，充分揭示納米結(jié)構(gòu)陶瓷涂層精密磨削的材料去除機(jī)理；建立納米結(jié)構(gòu)陶瓷涂層磨削時材料去除中產(chǎn)生橫向裂紋和中位裂紋的臨界磨削條件模型；建立反映磨削參數(shù)與磨削力、磨削后亞表面損傷深度(中位裂紋深度)定量關(guān)系的磨削物理模型。通過這些工作，揭示納米結(jié)構(gòu)陶瓷涂層精密磨削的磨削機(jī)理，構(gòu)建納米結(jié)構(gòu)陶瓷涂層材料精密磨削的基礎(chǔ)理論。
本發(fā)明提供的高效低損傷磨削加工納米結(jié)構(gòu)陶瓷涂層(n-WC/12Co)材料的磨削工藝如下首先采用粗砂輪進(jìn)行粗磨，磨削用量為ap＝30～60μm，Vw≥30mm/s，Vs≥30m/s，清磨(ap＝0)2-4次；然后采用中號砂輪進(jìn)行半精磨，磨削用量為ap＝15-20μm，Vw≥30mm/s，Vs≥30m/s，清磨2-4次；最后使用細(xì)砂輪精磨，磨削用量為ap＝1～2μm，Vw≥30mm/s，Vs≥30m/s，清磨2-3次；所述ap為砂輪磨削深度，Vw為工件進(jìn)給速度，Vs為砂輪速度。
所述的粗砂輪為粗磨粒樹脂或陶瓷粘結(jié)劑金剛石砂輪，如80B或80V砂輪。
所述的中號砂輪為較細(xì)磨粒樹脂或陶瓷粘結(jié)劑砂輪，如600B或600V砂輪。
所述的細(xì)砂輪為細(xì)磨粒樹脂結(jié)合劑砂輪，如W5砂輪。
砂輪磨削深度ap范圍，粗磨時使用粗磨粒樹脂或陶瓷粘結(jié)劑金剛石砂輪(如80B或80V砂輪)，理論上ap可取到砂輪磨粒直徑D的1/3值，但受單顆磨粒磨削力影響，ap＝30～60μm。半精磨時，使用較細(xì)磨粒樹脂或陶瓷粘結(jié)劑砂輪(如600B或600V砂輪)，ap＝15-20μm。精磨時，使用細(xì)磨粒樹脂結(jié)合劑砂輪(如W5砂輪)，ap＝1～2μm。
總磨削余量不同，粗磨、半精磨及精磨的進(jìn)刀次數(shù)有所不同，其原則是在粗磨階段盡可能多地去除磨削余量，半精磨一般進(jìn)刀一次，精磨進(jìn)刀3次左右。粗磨、半精磨及精磨階段的清磨(ap＝0)次數(shù)一般為2-4次。
工件進(jìn)給速度Vp一般不小于30mm/s。
砂輪速度Vs盡可能選機(jī)床所允許的最大值。由機(jī)床最大轉(zhuǎn)速值和砂輪直徑定，砂輪速度等于機(jī)床最大轉(zhuǎn)速值與砂輪周長的乘積，Vs＝nsDsπ，其中，ns是砂輪轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)/秒)，Ds砂輪直徑(米)。
在選擇ap和Vw這兩個參數(shù)時，一般取大的Vw，再選擇ap。最終取值可由當(dāng)量磨削厚度ae(ae＝apVw/Vs)的取值范圍來定。
精磨時單顆磨粒的法向磨削力應(yīng)小于產(chǎn)生磨削表面/亞表面損傷的臨界載荷值。
單顆磨粒的法向磨削力與當(dāng)量磨削厚度基本成一元線性回歸關(guān)系。
fgn＝fgnb+Cgn(ae)fgn和fgnb分別為單顆磨粒法向磨削力和單顆磨粒法向初始切入力(截距)(N)；Cgn為系數(shù)(斜率)(N/nm)。fgnb和Cgn與陶瓷涂層硬度、韌性、彈性模量以及顯微結(jié)構(gòu)有關(guān)，也與砂輪特性有關(guān)。
橫向裂紋的產(chǎn)生與材料性能參數(shù)、磨削加工條件有關(guān)。以下是理論預(yù)測模型P1*=2×105k(Kc4/H3)]]>其中k為與加工條件相關(guān)的修正系數(shù)。當(dāng)砂輪平均單顆磨粒法向磨削力大于產(chǎn)生橫向裂紋的臨界力時，被加工材料亞表面將產(chǎn)生橫向裂紋。
對于n-WC/12Co涂層材料的精密磨削，產(chǎn)生中位/徑向裂紋的臨界磨削條件模型，即臨界載荷P*的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下P*＝885×Cm×(Kc4/H3)式中Cm為與實際磨削條件有關(guān)的參數(shù)。
其它技術(shù)要點1.磨削前，對砂輪進(jìn)行動、靜平衡調(diào)試，消除砂輪的不平衡。
2.選用高剛度磨床以避免加工過程中產(chǎn)生顫振。一般說來，要選用較高剛度的磨床(剛度不低于50N/μm更好)。
3.選用高精度磨床以避免因主軸跳動而導(dǎo)致加工損傷。一般說來，選用的磨床主軸跳動不得大于0.1微米。
4.等砂輪達(dá)到一定的耐用度值之后，通過整形和修銳來消除工件表面由工件和砂輪產(chǎn)生的相關(guān)波紋，避免再生效應(yīng)。
5.對于不同的硬脆材料而言，磨削加工對其造成的損傷程度也不盡相同。在相同的條件下，材料的脆性越大損傷深度越??；反之，材料脆性越小損傷深度越大，損傷深度與材料的脆性成反比。另一方面，損傷密度與材料的脆性成正比。脆性越大的材料，損傷密度也越大，反之亦然。也就是說，在同樣的加工條件下，脆性大的材料會形成大量的、但深度較小的加工損傷，而脆性小的材料則會形成少量的、但深度較大的加工損傷。該發(fā)現(xiàn)對于包括納米結(jié)構(gòu)陶瓷涂層材料在內(nèi)的硬脆材料的高效率、低損傷加工具有指導(dǎo)意義與現(xiàn)實意義。對于脆性大的工件材料，即使增加磨削用量，亞表面損傷深度的增加有限。然而，對于脆性小的材料，則不能一味地使用大磨削用量，否則會導(dǎo)致嚴(yán)重的亞表面損傷，降低工件的加工質(zhì)量。如果需要采用大磨削用量以提高加工效率，則必須使用后續(xù)加工以便去除前道工序的加工過程所引起的加工損傷。
基于這樣的工藝，磨削后，n-WC/12Co涂層試件的表面粗糙度達(dá)到0.05μm以下，磨削表面/亞表面無宏觀裂紋，而且磨削效率較高，粗磨時可達(dá)到單位時間單位砂輪寬度除率為0.9mm3/s.mm。
綜上所述，本發(fā)明是一種在獲得良好的幾何精度和表面質(zhì)量的前提下加工效率高、制造成本低的納米結(jié)構(gòu)陶瓷涂層材料的精密磨削技術(shù)。
具體實施例方式
實施例1高效低損傷磨削加工納米結(jié)構(gòu)陶瓷涂層(n-WC/12Co)材料的磨削工藝如下，設(shè)總磨削余量為60μm。
使用臥軸矩臺平面磨床磨削加工平面型工件，首先采用80B粗砂輪進(jìn)行粗磨，磨削用量為ap＝30μm，Vw＝30mm/s，Vs＝31.4m/s(砂輪主軸轉(zhuǎn)速取最大值3000rpm，砂輪直徑200mm)，進(jìn)刀兩次，清磨(ap＝0)2次；然后采用600B中號砂輪進(jìn)行半精磨(半精加工)，磨削用量為ap＝15μm，Vw＝30mm/s，Vs＝31.4m/s，進(jìn)刀次數(shù)為1次，清磨2次；最后使用W5細(xì)砂輪精磨，磨削用量為ap＝1μm，Vw＝30mm/s，Vs＝31.4m/s，進(jìn)刀次數(shù)為4次，清磨2次。
磨削后，n-WC/12Co涂層試件的表面粗糙度達(dá)到0.05μm以下，磨削表面/亞表面無宏觀裂紋，而且磨削效率較高，粗磨時可達(dá)到單位時間單位砂輪寬度除率為0.9mm3/s.mm。
實施例2高效低損傷磨削加工納米結(jié)構(gòu)陶瓷涂層(n-WC/12Co)材料的磨削工藝如下，設(shè)總磨削余量為180μm。
使用臥軸矩臺平面磨床磨削加工平面型工件，首先采用80V砂輪進(jìn)行粗磨，磨削用量為ap＝60μm，Vw＝30mm/s，Vs＝31.4m/s(砂輪主軸轉(zhuǎn)速取最大值3000rpm，砂輪直徑200mm)，進(jìn)刀三次，清磨(ap＝0)4次；然后采用600V中號砂輪進(jìn)行半精磨(半精加工)，磨削用量為ap＝20μm，Vw＝30mm/s，Vs＝31.4m/s，進(jìn)刀次數(shù)為1次，清磨4次；最后使用W5細(xì)砂輪精磨，磨削用量為ap＝2μm，Vw＝30mm/s，Vs＝31.4m/s，進(jìn)刀次數(shù)為4次，清磨3次。
磨削后，n-WC/12Co涂層試件的表面粗糙度達(dá)到0.05μm以下，磨削表面/亞表面無宏觀裂紋，而且磨削效率較高，粗磨時可達(dá)到單位時間單位砂輪寬度除率為0.9mm3/s.mm。
權(quán)利要求
1.一種納米結(jié)構(gòu)陶瓷涂層材料的精密磨削技術(shù)，其特征是磨削工藝如下首先采用粗砂輪進(jìn)行粗磨，磨削用量為ap＝30～60μm，Vw≥30mm/s，Vs≥30m/s，清磨2-4次；然后采用中號砂輪進(jìn)行半精磨，磨削用量為ap＝15-20μm，Vw≥30mm/s，Vs≥30m/s，清磨2-4次；最后使用細(xì)砂輪精磨，磨削用量為ap＝1～2μm，Vw≥30mm/s，Vs≥30m/s，清磨2-3次；上述ap為砂輪磨削深度，Vw為工件進(jìn)給速度，Vs為砂輪速度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米結(jié)構(gòu)陶瓷涂層材料的精密磨削技術(shù)，其特征是在選擇ap和Vw這兩個參數(shù)時，一般取大的Vw，再選擇ap，最終取值可由當(dāng)量磨削厚度ae＝apVw/Vs的取值范圍來定。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的納米結(jié)構(gòu)陶瓷涂層材料的精密磨削技術(shù)，其特征是根據(jù)總磨削余量不同，粗磨、半精磨及精磨的進(jìn)刀次數(shù)有所不同，其原則是在粗磨階段盡可能多地去除磨削余量，半精磨一般進(jìn)刀一次，精磨進(jìn)刀3次左右。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的納米結(jié)構(gòu)陶瓷涂層材料的精密磨削技術(shù)，其特征是所述的粗砂輪為粗磨粒樹脂或陶瓷粘結(jié)劑金剛石砂輪，如80B或80V砂輪。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的納米結(jié)構(gòu)陶瓷涂層材料的精密磨削技術(shù)，其特征是所述的中號砂輪為較細(xì)磨粒樹脂或陶瓷粘結(jié)劑砂輪，如600B或600V砂輪。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的納米結(jié)構(gòu)陶瓷涂層材料的精密磨削技術(shù)，其特征是所述的細(xì)砂輪為細(xì)磨粒樹脂結(jié)合劑砂輪，如W5砂輪。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種納米結(jié)構(gòu)陶瓷涂層材料的精密磨削技術(shù)，其特征是磨削工藝如下首先采用粗砂輪進(jìn)行粗磨，磨削用量為a
文檔編號B24B1/00GK1562564SQ20041002302
公開日2005年1月12日 申請日期2004年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月29日
發(fā)明者張璧, 鄧朝暉, 周志雄 申請人:湖南大學(xué)