外文翻譯--電火花超聲鉆石切削陶瓷中的加工表面完整性 中文版

河南理大學本科畢業(yè)設計（論文） 注： 1 電火花、超聲、鉆石切削 陶瓷中的加工表面完整性 a,*, b 山東科技大學機械工程學院 濟南 250061 山東省 國 香港理工大學九龍紅磡制造工程處 香港 中國 摘要 ： 陶瓷部件往往需要良好的完整的加工表面 ,因為多數(shù)情況下 , 陶瓷部件的壽命由它的表面質量所決定。在這項研究中 ,對電火花加工、超聲加工、金剛石切削陶瓷材料 部件表面的完整性 ,專家已進行比較和調查 .。他們測量了部件的表面粗糙度、硬度、機械表面成型過程。人們經常用彎曲應力及其分布來評價切削加 工過程對標本表面完整性的影響。 結果表明 ,切削加工過程對陶瓷材料的表面質量有很大的影響。電 火花加工陶瓷材料時產生的熱量常造成表面裂紋 、瑕庇 。而加工表面的破壞是由韋伯模數(shù)太低造成的。在大多數(shù)加工條件下，超聲加工 、金剛石切削比較平穩(wěn)，并且其彎曲應力和 韋伯模數(shù) 要比電火花加工時高。 關鍵詞 ： 陶瓷復合材料仍無法滿足具有復雜幾何外形部件在加熱條件下的精加工的需要 ,這顯然表示還要對部件進一步處理。 機械加工 如磨削加工，電火花加工，超聲加工，金剛石加工和激光加工經常應用，并且 在陶瓷加工中費用很高。機械加工過程中 , 低的表面粗糙度使陶瓷表面很容易破壞。這種表面破壞包括表面裂紋 、 微裂紋和有害的抗應力。表面裂紋和抗應力相結合，將影響 陶瓷材料的性能和加工后的承載能力。 陶瓷材料的應力取決于它對破壞的抗力和能夠引起應力變化的毛細孔 、 應力破壞和微裂紋。斷裂分析表明：內部斷裂 是造成陶瓷表面失效的主要原因，這種情況河南理大學本科畢業(yè)設計（論文） 注： 2 經常在精加工中出現(xiàn)。這些表面上的破壞形式限制了應力，并決定應力分布，從而影響應力作用下裂紋的生長。我們經常觀察到在同一材料的不同樣品中，破壞應力變化很顯著。之所以這樣，部分原因是表 面 缺陷 的任意分布。由于這個原因，我們需要一種計算應力變化的方法。幾項研究表明復合 應力可以用來表示陶瓷加工的表面完整性。因為很大程度上，韋伯模數(shù)描述了復合應力分布值。韋伯模 數(shù) 值較大，則表明應力分布范圍狹窄以及材料性能很好。然而小的韋伯模 數(shù)表明應力集中 分布裂紋 、 廣泛，可以歸因于精加工過程中表面的破壞。 在這項研究中，專家研究了電火花加工 超 、 聲加工 金 、 剛石切削 含氧化鋁，炭化鈦，鉬，鎳等 陶瓷材料 ，檢測了表面粗糙度 、 硬度 、 光潔度。復合應力及其分布用來估量機械加工過程中表面的完整性，目的是比較機械加工過程中的表面質量，獲得切削加工對應力及其分布的影響。 料比較 目前研究所用的材料是作者發(fā)明的含鋁的復合陶瓷。材料中含有大量的氧化鋁，同時，炭化鈦按表 1 中的比例加入其中。最后在 氣壓下進行 8 分鐘的熱壓縮，從而形成陶瓷磁盤，所需的溫度范圍是 1600 1800 度。少量的鉬和鎳元素加入其中是為了較少電子斥力，增加內部彎曲應力。表 1 列出了陶瓷中所含的成分的機械特性。 表 1. 陶瓷中所含的成分的機械特性 成分 () 復合應力 (斷裂應力 (m/s) 硬度 ( 0% i 900 南理大學本科畢業(yè)設計（論文） 注： 3 工方法和試驗步驟： 電火花加工是一個熱加工過程，在刀具電極和工件之間產生大量的熱。電火花為加工陶瓷材料提供了一種方法，無論它的的強度和應力如何，只要導電器足夠。本次試驗中所用的線電火花切割機是三菱電器系統(tǒng)模型 列，電路脈沖最大電流為 30A。該線切割機 有線網使用的 銅管直徑 米直徑 ， 平均電壓 55V,瞬時電流可以設定為 5A、 10A、 14A。 超聲加工用于硬性材料和脆性材料，不管它們是否導電和是 否經歷了熱燒傷。在超聲機械加工中， 超聲使磨料微粒與冷卻液在振幅范圍內（通常小于 75工具一起振動 , 并且陶瓷材料先在磨料微粒作用下脫落。在這項研究中 ,超聲波是在床 (中國制造 )上工作的 , 它的功率 250 瓦 ,頻率 16 25 千赫茲，靜態(tài)負荷是 10N,分別使用了 80， 120 和 240料微粒。 金剛石切削是用金剛石刀具在 床上工作，削速度為 6m/s。 為每一種切削準備好小樣本（ 3 4 16來測量復合應力 。他們用 3點彎曲模式測量跨度在 10度為 0.5 mm/力可以通過兩個限定的 韋伯 參數(shù)分析。對部件表面粗糙度的測量則通 。硬度 則 通過 他們還通過電子顯微鏡觀察加工表面的顯微結構。 化鈦，鉬，鎳等陶瓷材料的表面光潔度 河南理大學本科畢業(yè)設計（論文） 注： 4 圖 削 含氧化鋁，炭化鈦，鉬，鎳等 陶瓷材料 的顯微結構 圖 1（ a）顯示了電火花加工含氧化鋁，炭化鈦，鉬，鎳等 陶瓷材料 的 表面的顯微結構?？梢园l(fā)現(xiàn)上面有大量的微觀裂紋。其 表面上出現(xiàn)直徑變化的凸凹不平的小坑，同時微裂紋和瑕斑造成的顯著的表面破壞也能看到。在 電火花加工表面上找到這些特征的可能性很大。用電火花加工含氧化鋁，炭化鈦，鉬，鎳等 陶瓷材料 ，不管是金屬變形的融化階段還是熱剝落的耐火階段，微觀裂紋對材料的切除和表面的形成作用很大。電火花加工表面形成機制可能是：火花在金屬如鉬，鎳可能會融化的導熱階段形成。這些階段高導熱性加大了表面粗糙度。圖 1（ b）顯示了表面上有更大的坑和二次硬化層?？梢钥闯?，由電火花造成的表面破壞導致鉬，鎳的侵蝕和氧化鋁，炭化鈦顆粒的暴露。其表面破壞的可能性和 程度是通過比較與部件表面向垂直的橫截面得到的。圖 2是電子顯微結構圖 ,它取自表面上小坑的中心，展示了表面破壞，它揭示了表面明顯得到硬化。表面層的顏色比中心顏色深，厚度大概是8些表面上的小坑和裂紋深深地影響陶瓷地性能和應力，以后我們就可以看到。 河南理大學本科畢業(yè)設計（論文） 注： 5 圖 2. 電火花 切削 含氧化鋁，炭化鈦，鉬， 圖 化鈦， 鎳等 陶瓷材料 的橫截面的顯微結構 鉬等陶瓷材料的顯微結構 超聲加工表面與電火花加工有很大的不同。圖 3表明了典型的超聲加工含氧化鋁，炭化鈦，鉬，鎳等 陶瓷材料 的 表面的顯微結構。 它顯示材料 的剝落主要是依靠細微的折斷，顯然，這些斷裂是晶體和非晶體混合作用的結果。加工表面的特征受那些大量的小的碎片影響。和圖 1相比較，超聲加工后的表面相對比較光滑，而且沒有顯著的裂紋。 典型的金剛石 切削 含氧化鋁，炭化鈦，鉬，鎳等 陶瓷材料 的顯微結構在圖 4中顯示。可以看到其加工表面含有因細微切割造成的剝落碎片和因微裂紋產生的溝壑。溝槽的側面，我們看到有碎片，這些剝落碎片能夠表明切削過程中細微斷裂的存在。金剛石切削過程中，表面上很少有獨立顆粒剝落的證據(jù)。 含氧化鋁，炭化鈦，鉬，鎳等陶瓷 材料的粗糙度和硬度： 電火花加工 ,超聲加工 ， 金剛石切削材料的粗糙度和硬度在表 2中列出?？梢钥吹剑弘娀鸹庸ず蟮谋砻娲植诙茸畲?，硬度最小。其高粗糙度歸因于能夠從圖 1中看到的裂紋小坑以及溝槽的存在，而表面硬度很低可能是因為熱硬層的存在（在圖2中表示）。若是電火花加工時采用較小的電流，那么得到的表面粗糙度較小，因為電火花的能量密度有所減少。但是在這兩種磨削加工過程，表面硬度卻沒有顯著的不同。 河南理大學本科畢業(yè)設計（論文） 注： 6 表 2. 含氧化鋁，炭化鈦，鉬，鎳等陶瓷材料的粗糙度和硬度 試樣 切削參數(shù) 粗糙度 (硬度 (電火花加工 U=55v 5 聲加工 磨粒顆粒5 剛石切削 切削速度 V=6m/s 氧化鋁，炭化鈦，鉬，鎳等陶瓷材料的復合應力及其分布： 圖 削 含氧化鋁，炭化鈦，鉬，鎳等 陶瓷材料 的顯微結構 河南理大學本科畢業(yè)設計（論文） 注： 7 圖 化鈦，鉬，鎳等 陶瓷材料 的韋伯模 數(shù) 電火花加工的試樣的應力分布在的韋伯模 數(shù) 在圖 5中顯示出來，圖中斜率表示每一種分布的韋伯模 數(shù) 。斜率越大，應力數(shù)值變化量就越小。表 3記錄了在每一中切削狀態(tài)下的韋伯模 數(shù) 和平均應力。至于表 1和表 3，可以證明電火花加工后的應力很低，僅僅是原材料應力的 68 80，韋伯模 數(shù) 范圍是 表明電火花加工對加工試樣的復合應力有壞的影響。電流越大則裂紋越多。當電火花加工電流為 5以得到平均應力 716伯模數(shù)為 電流達到 10均應力下降到 655韋伯模數(shù)為 當電流達到 15均應力就會下降到619韋伯模數(shù)為 流越高，其能量密度越大，增加了材料脫落的比率和表面粗糙度。表面缺陷可以導致部件嚴重失效。 表 3. 電火花加工陶瓷材料應力分布的韋伯模數(shù) 試樣 電流（ A） 韋伯模 數(shù) 平均應力（ 電火花加工表面 14， 10， 5 19， 655， 716 陶瓷加工中一個嚴重的問題是工件表面裂紋的激發(fā)。這主要是因為裂紋與表面上突出的缺陷的大小和分布有關?？刂莆⑿〔牧蠎@一基本因素將決定加工中缺陷形成的大小。電火花引起的裂紋和小坑 可以說是斷裂的根源，并且能夠引起應力河南理大學本科畢業(yè)設計（論文） 注： 8 遞減，電火花加工表面的破壞主要歸因于韋伯模數(shù)太低。 表 4. 超聲波加工陶瓷材料應力分布的韋伯模數(shù) 試樣 顆粒大小 韋伯模 數(shù) 平均應力（ 超聲波加工表面 80， 120， 240 81， 808， 828 表 試樣 韋伯模 數(shù) 平均應力（ 金剛石加工表面 64 圖 化鈦，鉬，鎳等陶瓷材料的韋伯模數(shù) 超聲波加工的試樣的應力分布的韋伯模 數(shù) 在圖 6中顯示出來。表 4記錄了在每一中切削狀態(tài)下的韋伯模 數(shù) 和平均應力?？梢宰C明：超聲波加工的試樣的平均應力值要比電火花加工的試樣大，韋伯模 數(shù) 也相應增加，范圍是 表明了與電火花加工相比，超聲波加工過程中有種力抵擋 、 限制含氧化鋁，炭化鈦，鉬，鎳等 陶瓷材料 表面的破壞。磨削顆粒越小，應力和韋伯模 數(shù) 越大。 金剛石 加工的試樣的應力分布的韋伯模 數(shù) 在圖 7中顯示出來，表 5記錄的是其韋伯模 數(shù) 和平均應力。金剛石 切削 在 6m/力為 846 韋伯模 數(shù) 為 過比較可以看出：超聲波加工和 金剛石 切 削 過程比較平穩(wěn)，復合應力和韋伯模 數(shù) 比電火花加河南理大學本科畢業(yè)設計（論文） 注： 9 工的試樣高。 圖 7. 金剛石