[摘要]本文在总结现有研究成果的基础上，对工程陶瓷进行了高效深磨的试验研究。详细地分析了磨削参数如砂轮线速度、工件磨削深度、工作台速度等对氧化铝及部分稳定氧化锆两种工程陶瓷材料高速高效磨削力的影响规律。
[关键词]工程陶瓷；高效深磨；磨削力；试验研究
[中图分类号]TG7
引言
经过数十年的发展，工程陶瓷因其优越的使用性能，已被广泛应用于各种工业领域，尤其是在一些要求耐高温、耐腐蚀和耐磨损的场合，陶瓷材料的应用价值显得越来越重要。陶瓷作为一种工程材料，具有高硬度、高抗压强度、优异的耐磨性和耐腐蚀性、高温下强度保持不变以及低密度和低热膨胀系数等特点。目前，它广泛应用于航空航天、化工、军事、机械、电子电器以及精密制造等领域。陶瓷材料广阔的应用前景和复杂的加工特性，都要求对陶瓷的磨削加工过程进行全面而深入的了解。目前各发达国家如德、日、美、英等国非常重视工程陶瓷的开发及应用。80年代以来，各国竞相投人大量的资金及人力，在陶瓷磨削的材料去除机理、磨削烧伤、磨削表面完整性的影响因素、不同磨削条件的最佳磨削参数等多方面都取得了积极的研究成果。
目前的陶瓷加工方法大多是采用金刚石砂轮进行磨削加工。由于工程陶瓷的韧性不足，而且磨削时的抗力很大，加之优良的耐磨性，从而造成工程陶瓷材料的切削加工性很差，生产效率低，产品成本高[1]。其次，由于陶瓷的硬脆性，加工中造成的表面和亚表面损伤往往会使得陶瓷元件的强度降低。因此，为了降低工程陶瓷材料加工成本，在得到满足要求的磨削质量的前提下获得尽量高的磨除率，目前迫切需要对于工程陶瓷的各种磨削加工过程有更加深入的认识。本文在当前工程陶瓷的磨削理论研究基础上，对陶瓷材料在高速高效磨削条件下的磨削力特征进行了测量，找出不同磨削方案中陶瓷表现的磨削力变化趋势。
一、 工程陶瓷的磨削机理
材料去除机理一般可分为脆性断裂和塑性变形两类，大多数的研究中都指出了材料脆性去除是陶瓷磨削中最常见到的去除方式[3]。
在脆性去除时，材料的去除是通过空隙和裂纹的形成和扩展、脆性碎裂和脆性压碎来实现的。陶瓷磨削中的材料脆性去除方式主要是指材料脆性碎裂去除和材料脆性压碎去除等方式。材料脆性碎裂去除是陶瓷材料磨削中十分重要的去除机理，指因磨削过程中产生的横向和径向裂纹等宏观裂纹的扩展使材料碎裂来去除材料，使材料以整个晶粒从工件表面上脱落或发生材料的局部剥落。除了材料脆性去除方式外，材料去除还和材料脆性压碎有关，磨粒前端和底面的材料压碎可能是表面内平面应力和剪切应力分布引起的各种形式破坏的结果，材料压碎也可能是众多磨粒作用下连续的裂纹分叉扩展后的表现形式[5][6][7]。
除了横向裂纹断裂（剥落）方式外，材料脆性去除还和破碎（碎裂）有关。磨粒前端和其下面的材料破碎是表面圆周应力和剪切应力分布引起的各种形式破坏的结果。
二、 工程陶瓷的磨削力试验
2．1 材料选择
工程陶瓷包含的种类很多，在性能上的差异也比较大，其中氧化铝和部分稳定氧化锆（PSZ）是两种常用的工程陶瓷。
两种材料的具体性能见下表[2]。
2．2试验设备及条件
试验在湖南大学国家高效磨削工程技术研究中心的超高速平面磨削实验台上进行。实验台主要技术参数为：主轴功率40KW，最高转速20000r/min，采用SBS4500动平衡系统对砂轮进行实时动平衡；工作台驱动电机功率5KW。
磨削过程中采用Kistler9257BA型压电晶体测力仪实时测量磨削力。磨削力信号采样用PCI6115型采集卡，最后所有测量的力信号均经数模转换后送入PC机并用相应的数据处理软件进行处理与分析。试验中所用的磨削力测量系统的装置示意图如图2所示。
图1磨削力测量系统装置示意图
三、试验结果及分析
磨削力是磨削过程中最重要的物理量，它反映了磨削过程的基本特征，是评价材料可磨削性的一个重要指标。磨削力与材料性能和显微结构、磨削用量、砂轮特性、材料去除机理等都有着密切关系[4]。
1、砂轮线速度对磨削力的影响
图2砂轮线速度对磨削力的影响
试验方案：工作台进给速度为2400mm/min，磨削深度0.5mm。
图2显示了随砂轮线速度vs的变化，法向磨削力Fn和切向磨削Ft变化的情况。可以看出，五组试验中的Fn和Ft都随vs的增大而单调减小。Fn的变化趋势不如Ft显著，而Ft的下降趋势则在vs较大时变得缓慢。
2、工作台速度对磨削力的影响
图3工作台速度对磨削力的影响
试验方案：砂轮线速度为120m/s，磨削深度0.5mm。
随工作台速度vw的变化，法向、切向磨削力变化的情况如图3所示。五组试验的Fn和Ft都随vw的增大一直保持良好的趋势单调上升，可见工作台速度对磨削力尤其是法向磨削力Fn的影响程度较大。
3、切深对磨削力的影响
图4切深对单磨削力的影
试验方案：砂轮线速度为120m/s，工作台进给速度为2400mm/min。
切深ap的变化对磨削力的影响在图4中体现。如图所示，Fn和Ft都随ap的增大单调上升，其中切向磨削力Ft以比较缓慢的趋势单调上升，而法向磨削力Fn随切深ap的增加而上升的趋势则比较显著。增大切深，同时会增大有效磨粒数，有更多的磨粒与工件表面发生干涉，因此虽然每颗磨粒承受的载荷变化相对较小，但总的磨削力会显著增加。
四、结论
1、在高效深磨条件下，磨削力随工作台进给速度和切深的增加而增加，但却随砂轮线速度的上升而下降。
2、高效深磨条件下，磨削力受三种进给量的影响都很大，但是对法向磨削力的影响大于切向磨削力，而对总磨削力的影响，切深的作用更大。
3、磨削氧化锆时的磨削力比在相同条件下磨削氧化铝要大很多，变化趋势也更快，这都是由两种材料不同的材料特性引起的。
参考文献
[1]任敬心，康仁科，史兴宽.难加工材料磨削[M].北京：国防工业出版社，1999
[2]金志浩，高积强，乔冠军.工程陶瓷材料[M].西安：西安交通大学出版社，2000年8月
[3]李伯民，赵波.现代磨削技术[M].北京：机械工业出版社.2003年1月
[4]王西彬，任敬心，乐兑谦.结构陶瓷磨削力试验研究[J].中国机械工程，1996(2),Vol.7
[5]谢桂芝,黄红武,黄含等.工程陶瓷材料高效深磨的试验研究[J].机械工程学报,2007,43(1):176-184.
[6]谢桂芝,黄含,盛晓敏等.工程陶瓷高效深磨磨削力和损伤的研究[J].湖南大学学报(自然科学版),2008,35(5):26-30.
[7]周志雄,熊志庆.陶瓷材料磨削裂纹成因分析[J].机械设计与制造,2005,5:108-109.
