外文翻译--电火花超声钻石切削陶瓷中的加工表面完整性 中文版

河南理大学本科毕业设计（论文） 注： 1 电火花、超声、钻石切削 陶瓷中的加工表面完整性 a,*, b 山东科技大学机械工程学院 济南 250061 山东省 国 香港理工大学九龙红磡制造工程处 香港 中国 摘要 ： 陶瓷部件往往需要良好的完整的加工表面 ,因为多数情况下 , 陶瓷部件的寿命由它的表面质量所决定。在这项研究中 ,对电火花加工、超声加工、金刚石切削陶瓷材料 部件表面的完整性 ,专家已进行比较和调查 .。他们测量了部件的表面粗糙度、硬度、机械表面成型过程。人们经常用弯曲应力及其分布来评价切削加 工过程对标本表面完整性的影响。 结果表明 ,切削加工过程对陶瓷材料的表面质量有很大的影响。电 火花加工陶瓷材料时产生的热量常造成表面裂纹 、瑕庇 。而加工表面的破坏是由韦伯模数太低造成的。在大多数加工条件下，超声加工 、金刚石切削比较平稳，并且其弯曲应力和 韦伯模数 要比电火花加工时高。 关键词 ： 陶瓷复合材料仍无法满足具有复杂几何外形部件在加热条件下的精加工的需要 ,这显然表示还要对部件进一步处理。 机械加工 如磨削加工，电火花加工，超声加工，金刚石加工和激光加工经常应用，并且 在陶瓷加工中费用很高。机械加工过程中 , 低的表面粗糙度使陶瓷表面很容易破坏。这种表面破坏包括表面裂纹 、 微裂纹和有害的抗应力。表面裂纹和抗应力相结合，将影响 陶瓷材料的性能和加工后的承载能力。 陶瓷材料的应力取决于它对破坏的抗力和能够引起应力变化的毛细孔 、 应力破坏和微裂纹。断裂分析表明：内部断裂 是造成陶瓷表面失效的主要原因，这种情况河南理大学本科毕业设计（论文） 注： 2 经常在精加工中出现。这些表面上的破坏形式限制了应力，并决定应力分布，从而影响应力作用下裂纹的生长。我们经常观察到在同一材料的不同样品中，破坏应力变化很显著。之所以这样，部分原因是表 面 缺陷 的任意分布。由于这个原因，我们需要一种计算应力变化的方法。几项研究表明复合 应力可以用来表示陶瓷加工的表面完整性。因为很大程度上，韦伯模数描述了复合应力分布值。韦伯模 数 值较大，则表明应力分布范围狭窄以及材料性能很好。然而小的韦伯模 数表明应力集中 分布裂纹 、 广泛，可以归因于精加工过程中表面的破坏。 在这项研究中，专家研究了电火花加工 超 、 声加工 金 、 刚石切削 含氧化铝，炭化钛，钼，镍等 陶瓷材料 ，检测了表面粗糙度 、 硬度 、 光洁度。复合应力及其分布用来估量机械加工过程中表面的完整性，目的是比较机械加工过程中的表面质量，获得切削加工对应力及其分布的影响。 料比较 目前研究所用的材料是作者发明的含铝的复合陶瓷。材料中含有大量的氧化铝，同时，炭化钛按表 1 中的比例加入其中。最后在 气压下进行 8 分钟的热压缩，从而形成陶瓷磁盘，所需的温度范围是 1600 1800 度。少量的钼和镍元素加入其中是为了较少电子斥力，增加内部弯曲应力。表 1 列出了陶瓷中所含的成分的机械特性。 表 1. 陶瓷中所含的成分的机械特性 成分 () 复合应力 (断裂应力 (m/s) 硬度 ( 0% i 900 南理大学本科毕业设计（论文） 注： 3 工方法和试验步骤： 电火花加工是一个热加工过程，在刀具电极和工件之间产生大量的热。电火花为加工陶瓷材料提供了一种方法，无论它的的强度和应力如何，只要导电器足够。本次试验中所用的线电火花切割机是三菱电器系统模型 列，电路脉冲最大电流为 30A。该线切割机 有线网使用的 铜管直径 米直径 ， 平均电压 55V,瞬时电流可以设定为 5A、 10A、 14A。 超声加工用于硬性材料和脆性材料，不管它们是否导电和是 否经历了热烧伤。在超声机械加工中， 超声使磨料微粒与冷却液在振幅范围内（通常小于 75工具一起振动 , 并且陶瓷材料先在磨料微粒作用下脱落。在这项研究中 ,超声波是在床 (中国制造 )上工作的 , 它的功率 250 瓦 ,频率 16 25 千赫兹，静态负荷是 10N,分别使用了 80， 120 和 240料微粒。 金刚石切削是用金刚石刀具在 床上工作，削速度为 6m/s。 为每一种切削准备好小样本（ 3 4 16来测量复合应力 。他们用 3点弯曲模式测量跨度在 10度为 0.5 mm/力可以通过两个限定的 韦伯 参数分析。对部件表面粗糙度的测量则通 。硬度 则 通过 他们还通过电子显微镜观察加工表面的显微结构。 化钛，钼，镍等陶瓷材料的表面光洁度 河南理大学本科毕业设计（论文） 注： 4 图 削 含氧化铝，炭化钛，钼，镍等 陶瓷材料 的显微结构 图 1（ a）显示了电火花加工含氧化铝，炭化钛，钼，镍等 陶瓷材料 的 表面的显微结构。可以发现上面有大量的微观裂纹。其 表面上出现直径变化的凸凹不平的小坑，同时微裂纹和瑕斑造成的显著的表面破坏也能看到。在 电火花加工表面上找到这些特征的可能性很大。用电火花加工含氧化铝，炭化钛，钼，镍等 陶瓷材料 ，不管是金属变形的融化阶段还是热剥落的耐火阶段，微观裂纹对材料的切除和表面的形成作用很大。电火花加工表面形成机制可能是：火花在金属如钼，镍可能会融化的导热阶段形成。这些阶段高导热性加大了表面粗糙度。图 1（ b）显示了表面上有更大的坑和二次硬化层。可以看出，由电火花造成的表面破坏导致钼，镍的侵蚀和氧化铝，炭化钛颗粒的暴露。其表面破坏的可能性和 程度是通过比较与部件表面向垂直的横截面得到的。图 2是电子显微结构图 ,它取自表面上小坑的中心，展示了表面破坏，它揭示了表面明显得到硬化。表面层的颜色比中心颜色深，厚度大概是8些表面上的小坑和裂纹深深地影响陶瓷地性能和应力，以后我们就可以看到。 河南理大学本科毕业设计（论文） 注： 5 图 2. 电火花 切削 含氧化铝，炭化钛，钼， 图 化钛， 镍等 陶瓷材料 的横截面的显微结构 钼等陶瓷材料的显微结构 超声加工表面与电火花加工有很大的不同。图 3表明了典型的超声加工含氧化铝，炭化钛，钼，镍等 陶瓷材料 的 表面的显微结构。 它显示材料 的剥落主要是依靠细微的折断，显然，这些断裂是晶体和非晶体混合作用的结果。加工表面的特征受那些大量的小的碎片影响。和图 1相比较，超声加工后的表面相对比较光滑，而且没有显著的裂纹。 典型的金刚石 切削 含氧化铝，炭化钛，钼，镍等 陶瓷材料 的显微结构在图 4中显示。可以看到其加工表面含有因细微切割造成的剥落碎片和因微裂纹产生的沟壑。沟槽的侧面，我们看到有碎片，这些剥落碎片能够表明切削过程中细微断裂的存在。金刚石切削过程中，表面上很少有独立颗粒剥落的证据。 含氧化铝，炭化钛，钼，镍等陶瓷 材料的粗糙度和硬度： 电火花加工 ,超声加工 ， 金刚石切削材料的粗糙度和硬度在表 2中列出。可以看到：电火花加工后的表面粗糙度最大，硬度最小。其高粗糙度归因于能够从图 1中看到的裂纹小坑以及沟槽的存在，而表面硬度很低可能是因为热硬层的存在（在图2中表示）。若是电火花加工时采用较小的电流，那么得到的表面粗糙度较小，因为电火花的能量密度有所减少。但是在这两种磨削加工过程，表面硬度却没有显著的不同。 河南理大学本科毕业设计（论文） 注： 6 表 2. 含氧化铝，炭化钛，钼，镍等陶瓷材料的粗糙度和硬度 试样 切削参数 粗糙度 (硬度 (电火花加工 U=55v 5 声加工 磨粒颗粒5 刚石切削 切削速度 V=6m/s 氧化铝，炭化钛，钼，镍等陶瓷材料的复合应力及其分布： 图 削 含氧化铝，炭化钛，钼，镍等 陶瓷材料 的显微结构 河南理大学本科毕业设计（论文） 注： 7 图 化钛，钼，镍等 陶瓷材料 的韦伯模 数 电火花加工的试样的应力分布在的韦伯模 数 在图 5中显示出来，图中斜率表示每一种分布的韦伯模 数 。斜率越大，应力数值变化量就越小。表 3记录了在每一中切削状态下的韦伯模 数 和平均应力。至于表 1和表 3，可以证明电火花加工后的应力很低，仅仅是原材料应力的 68 80，韦伯模 数 范围是 表明电火花加工对加工试样的复合应力有坏的影响。电流越大则裂纹越多。当电火花加工电流为 5以得到平均应力 716伯模数为 电流达到 10均应力下降到 655韦伯模数为 当电流达到 15均应力就会下降到619韦伯模数为 流越高，其能量密度越大，增加了材料脱落的比率和表面粗糙度。表面缺陷可以导致部件严重失效。 表 3. 电火花加工陶瓷材料应力分布的韦伯模数 试样 电流（ A） 韦伯模 数 平均应力（ 电火花加工表面 14， 10， 5 19， 655， 716 陶瓷加工中一个严重的问题是工件表面裂纹的激发。这主要是因为裂纹与表面上突出的缺陷的大小和分布有关。控制微小材料应力这一基本因素将决定加工中缺陷形成的大小。电火花引起的裂纹和小坑 可以说是断裂的根源，并且能够引起应力河南理大学本科毕业设计（论文） 注： 8 递减，电火花加工表面的破坏主要归因于韦伯模数太低。 表 4. 超声波加工陶瓷材料应力分布的韦伯模数 试样 颗粒大小 韦伯模 数 平均应力（ 超声波加工表面 80， 120， 240 81， 808， 828 表 试样 韦伯模 数 平均应力（ 金刚石加工表面 64 图 化钛，钼，镍等陶瓷材料的韦伯模数 超声波加工的试样的应力分布的韦伯模 数 在图 6中显示出来。表 4记录了在每一中切削状态下的韦伯模 数 和平均应力。可以证明：超声波加工的试样的平均应力值要比电火花加工的试样大，韦伯模 数 也相应增加，范围是 表明了与电火花加工相比，超声波加工过程中有种力抵挡 、 限制含氧化铝，炭化钛，钼，镍等 陶瓷材料 表面的破坏。磨削颗粒越小，应力和韦伯模 数 越大。 金刚石 加工的试样的应力分布的韦伯模 数 在图 7中显示出来，表 5记录的是其韦伯模 数 和平均应力。金刚石 切削 在 6m/力为 846 韦伯模 数 为 过比较可以看出：超声波加工和 金刚石 切 削 过程比较平稳，复合应力和韦伯模 数 比电火花加河南理大学本科毕业设计（论文） 注： 9 工的试样高。 图 7. 金刚石 切削含氧化铝，炭化钛，钼，镍等陶瓷材料的韦伯模数 对电火花加工 ,超声加工 ， 金刚石切削含氧化铝 、 炭化钛 、 钼 、 镍等陶瓷材料部件 的 表面的完整性 进行比较，可以得到一下结论： 化钛，钼，镍等陶瓷材料 部件 表面由于热量原因产生缺陷和裂纹，其表面质量和残余应力随电流的增加而降低，而表面质量差是因为韦伯模 数 太低。 应力和韦伯模 数 比电火花加工试样高 。超声加工中，复合应力和韦伯模 数 随磨料颗粒的减小从而得到改善。