氮化硅陶瓷磨削力对表面质量的影响

削的基础上进行单一因素实验，利用粗糙度仪测量表面粗糙度并利用扫描电镜观察表面形貌。结果表明：磨削力与单颗 磨粒去除材料的体积相关；比磨削能在60-70 J/mm3且切向磨削力在10-60 N之间，容易获得较好的表面质量；增大磨削

深度比、增大砂轮线速度和工件进给速度更容易产生裂纹，磨削深度在5-15 gm之间适用于氮化硅陶瓷精密磨削。关键词：氮化硅陶瓷；磨削力；表面粗糙度；表面形貌中图分类号：TQ174.75

文献标志码：A 文章编号：1000-227&2019)06-0718-07Experimental Study on the Effect of Grinding Force of Silicon Nitride

Ceramic on a Surface QualityWU Yuhou '-2, SHA Yong 2, LI Songhua 12, SUN Jian 2, WANG Hao 2(1. National-Local Joint Engineering Laboratory of NC Machining Equipment and Technology of High-Grade Stone, Shenyang

Jianzhu University, Shenyang 110168, Liaoning, China; 2. School of Mechanical Engineering, Shenyang Jianzhu University,

Shenyang 110168, Liaoning, China)Abstract: In order to achieve efficient and precise grinding, the influence of grinding force on the surface quality of silicon nitride

ceramics and surface damage are investigated. Through theoretical analysis, a single factor experiment is performed on the basis

of high-efficiency grinding, and the surface roughness is measured by a roughness meter and the surface topography is observed.

The results show that the grinding force is related to the volume of the single abrasive removal material; the specific grinding

energy is between 60-70 J/mm3 and the tangential grinding force is between 10-60 N, which is easy to obtain better surface quality. Increasing the grinding depth is more prone to cracking than increasing the linear speed of the grinding wheel and the

feed rate of the workpiece. The grinding depth is between 5-15 ym for precision grinding of silicon nitride ceramics.Key words: silicon nitride ceramic; grinding force; surface roughness; surface topography0引言随着科学技术的发展，工程陶瓷材料由于具 有耐高温、耐磨、耐腐蚀、化学性能稳定等特性，

表面区域产生裂纹，在磨削力的作用下表面和亚

表面的裂纹失稳扩展后与其他缺陷相连通而扩展 到材料表面，会产生表面脆性断裂凹坑闵，因此研

被越来越多地应用于航天、电子、新能源、石油 化工、海洋和机械等领域［切。因为陶瓷材料本

究磨削力对材料去除方式的影响，对提高表面完 整性有重要意义。国内外专家对工程陶瓷的磨削力展开了一系 列的研究。Zhang D【6］通过对工程陶瓷基于磨料切

身的脆硬性，氮化硅陶瓷化学性质稳定且较难加 工［网，磨削成为目前陶瓷加工的主要手段，磨削

过程中磨粒载荷过大，会导致陶瓷材料表面和亚

收稿日期：2019-05-14。 修订日期：2019-07-13o基金项目：国家自然科学基金(51975353)；\"双百工程”计划(Z18- 5-023)；辽宁省自然科学基金(2019-MS-266)。通信联系人：沙8(1995-),男，硕士。削模型观察表面形貌的工程陶瓷磨损机理分析，

得出增大磨削力或砂带粒度可以降低表面粗糙Received date: 2019—05—14. Revised date: 2019—07—13.Correspondent author: SHA Yong( 1995-), male, Master. E-mail: sha 1281854334@ 163.com

第40卷第6期吴玉厚等：氮化硅陶瓷磨削力对表面质量的影响• 719 •度，砂带速度和磨削力增大，去除效率提高。张 有重要影响，磨削压痕区域断裂和高效深磨

东坤⑺研究陶瓷材料磨削力影响参数，探究了磨削

为常用的磨削力研究模型，但以往对磨削力影响 力的形成，分析了磨削力的特点。Wu同基于赫兹

加工表面质量的研究较少，因此笔者选用氮化硅

理论和瑞利概率密度函数的切屑厚度建模，分离 陶瓷材料作为研究对象，进行了磨削实验，通过

单个砂砾的工作状态。通过在碳化硅上使用高速

分析对比实验结果，探究磨削过程中磨削力对表

金刚石研磨机进行研磨实验，并将结果与模型进

面质量的影响。行比较。谢桂芝对工程陶瓷材料磨削机理进行

高效深磨研究和损伤研究，建立数学模型，认为

1实验磨削力模型的磨削力与材料的去除方式、性能和 工艺参数有关。Malkin和HwangZ】在压痕的帮助

1.1试件参数下研究和分析了陶瓷磨削中材料去除的机理断裂

所用试件为氮化硅陶瓷毛坯块，试件的主要 力学方法和加工方法。第一种方法表明，中间径 性能见表1:向裂缝通常与强度降低有关，而侧向裂缝则与材 1.2实验条件料去除有关。Su〔“］基于压痕断裂力学模型，提出

实验所用设备为ORBIT36CNC平面磨床，实

了陶瓷磨削表面裂纹深度的模型，通过对氮化硅 验选用金刚石砂轮，砂轮各项参数参照表2,选用

进行单向行程磨削和表面裂纹深度测量实验，建 水基磨削液，流量为80 L/mino实验采用的磨削力

立了氮化硅磨削表面裂纹深度模型，通过实验， 测试仪器为Kistler9257B三向平面测力仪，如图1 确定模型的参数，并且预期陶瓷材料的受控研磨

所示。将磨削过程中产生的磨削力通过测力平台 表面质量。输送到信号处理器，再经过信号放大器呈现出磨

以上研究表明，磨削力对工程陶瓷生产加工

削力的数据。表4氮化硅陶瓷试件的主要性能Tab. 1 Main properties of silicon nitride ceramic test piecesDensityElastic modulus

PoissonHardness Fracture toughnessCompressive

Thermal expansivity/gem-3/GParatio/HRC

/MPam1/2/Pa/10'6K 13.23200.2694

7.04203.2表2金刚石砂轮性能参数Tab.2 Diamond grinding wheel performance parametersOuter diameter/mmAperture/mmThickness/mm ConcentrationGrain size/ #Bond30012720 100%170/200Resin取高效磨削的最优参数〔6,进行单一因素实验，

探究单个磨削参数和磨削力关系，并探讨磨削力和

工件表面质量的关系。实验因素如表3所7K：2磨削力与去除机理2.1磨削力单颗磨粒切削弧长公式〔\"I/*=(1 + 詈｝(叭)％

⑴假设磨粒头为锥形，切屑形状可近似看为四棱锥，

图1测力平台

单颗磨粒的切深为h,则最大切屑截面积为 Fig.l Force platformA2-tan0,单颗磨粒去除材料的体积表达式为：1.3实验方案V = CF .l^l + ^.(apds)1/2 - A2 tan(9 (2)在氮化硅陶瓷试件的平面磨削过程中，选

・720・P；C；3<表3单因素实验参数Tab.3 Single factor test parameters2019年12月SerialnumberGrinding wheel Speed/m s_1Grinding depth/pmWorkpiece feed rate/mm min-11220,25,30,35,40,45,50404030300030001000,3000,5000,7000,9000,11000,13000,150005,10,15,20,25,30,35,40303其中：Cl切削路径补偿系数，么一砂轮直径，6 一有效磨粒锥顶半角，％—单颗磨粒切削深度，Vw

—工件进给速度，％—砂轮线速度，ap—磨削深度

由式(2)可知，磨粒去除的材料体积随着砂轮

线速度增大而变小，与图2(a)所示一致；磨粒去除

工件材料的体积随工件进给速度增大而增多，与

图2(b)所示一致;磨削力随工件进给速度的增大而 增大，磨粒去除工件材料的体积随磨削深度增大

而变大，与图2(c)所示一致。砂轮转速提高，单位

时间内参与磨削的磨粒数目增多，单个磨粒切削

厚度减小，磨削力减小，磨削深度和工件进给速

度增加，有效磨粒数目增加或切削厚度增加，磨

削力增大W】。文献［10］研究表明，磨粒磨削力随着

砂轮线速度的增加而减小，随磨削深度的增加而

增加；文献［18］研究表明，特定去除率的增加导致

在常规磨削速度下获得的法向力和切向力的增加 比高速时更快。综上所述，磨削力随单颗磨粒去

除材料的体积增大而增大。2.2去除机理在脆硬材料的加工中，比磨削能作为材料去 除方式的参考量［切，比磨削能是指磨削单位体积

材料所消耗的能量。在工程陶瓷中，比磨削能主 要包含剪切能和摩擦能，它与材料的去除机理密

切相关。计算公式为：式中，l比磨削能，只一切向磨削力，砂轮线

速度，Vw—工件进给速度，ap—磨削深度，b—砂 轮宽度。磨削过程可以看作多颗金刚石磨粒切削工件

表面，砂轮工件的接触区存在磨粒、结合剂、残

屑等多种材料的干涉作用将直接影响氮化硅陶瓷 材料去除机理。陶瓷材料的去除方式有粉末化去

除、塑性去除和脆性去除等，一般氮化硅陶瓷磨

削实验表面成型多为脆性去除和塑性去除。考虑

单颗磨粒与工件材料干涉，并引入最大未变形切 屑厚度\"max如图3所示。200

16000启120p

upo804020 30 40 50Grinding wheel speed/(m s_1)400

300

200

10003 6 9 12 15Workpiece feed ratex 103/(mm min_1)200

150&O100UJPUPD500 10

20 30 40Grinding depth/|im图2磨削力示意图(a)砂轮线速度对磨削力影响示意图, (b)工件进给速度对磨削力影响示意图，(c)磨削深度对磨

削力影响示意图Fig.2 Grinding force diagram (a) grinding wheel speed on grinding force (b) workpiece feed speed on grinding force

(c) grinding depth on grinding force第40卷第6期吴玉厚等：氮化硅陶瓷磨削力对表面质量的影响• 721 ・程中单位时间内所有有效磨粒切向磨削力之和

Ft=Nt・Fgt,其中M为单位时间有效磨粒数。将aP

和Ft表达式代人式(6)并假设单颗磨粒切向变形力

与摩擦引起的切向力均占50%,则有：厂 Nt2%Jtan0Hapt_ —4^

()将式(3)和式(7)代入式(4),将最大未变形切屑

厚度公式改写为：图3最大未变形切屑示意图JL -

1Fig.3 Maximum undeformed chip schematiclNtan0 丿

1 1“max表达式为:(eb)2

((1$0 加尸磨削表面成型多为脆性和塑性共存机制，当

最大未变形切屑厚度小于延性去除临界切深，塑

性去除方式占据较多，反之脆性去除较多。根据

式中，N—单位面积有效磨粒数，—切入工件磨 最大未变形切屑厚度所体现的去除机理，探究磨

粒顶半角，ds—砂轮直径。削过程中陶瓷材料的去除方式和表面质量，由(8)

临界切深表达式：式可知，切向磨削力逐渐减小、比磨削能增大时，

血=0吕込％)2

(5)最大未变形切屑深度减小，工件表面质量呈逐渐

变好趋势；当切向磨削力逐渐增大、比磨削能减

由延性域去除机理可知，最大未变形切屑深 小时，最大未变形切屑深度增大，工件表面质量

度和临界切深的关系。金刚石磨粒对材料的作用 呈逐渐变差的趋势。\"max的降低导致比能增加。当

如图4,切向磨削力为切向切削变形力和切向摩擦 \"max的值高于临界值，比能减小轻微和渐进，当

力之和，单颗磨粒切向磨削力的计算式为［刃：\"max的值低于该临界值时，比磨削能随着\"max的进 伦=罟：tan0H//2+〃爭

(6)一步降低而迅速上升；除了表面粗糙度之外，切

向磨削力和磨削能量也是表征材料去除模式的指 式中，％为0~ 1的常数，H—材料的硬度，＜

标〔2叫而在陶瓷磨削中，材料去除方式、脆性或

一压头几何因子(维氏压头，$=2),“一磨粒顶部

韧性，受最大未变形切屑厚度或晶粒载荷的影响 与材料的摩擦因数，S—单颗磨粒工作顶面积，p 很大0】。一磨粒钝平面与工件表面间的平均接触压强。3 实验结果及分析3.1切向磨削力对表面粗糙度的影响对实验结果进行分析，如图5所示。比磨削 能呈现增大趋势，切向磨削力呈减小趋势，工件

表面粗糙度呈减小趋势，表面质量变好。图6可 知比磨削能呈减小趋势，切向磨削力呈增大趋势，

工件表面粗糙度总体呈增大趋势后趋于稳定，当 工件进给速度为1000 mm min-1和11000 mm min-1

图4单颗金刚石磨粒压入工件示意图Fig.4 Schematic diagram of single diamond abrasive

时，表面粗糙度出现了拐点，文献［15］的研究表明： grain pressed into the workpiece工件进给速度过小会加工表面热量积累多，导致 表面质量较差；进给速度过大，表面质量变差，

磨削过程中，磨削深度可近似地看作在垂直 这是因为砂轮与工件作用时间过短，磨削区域温 面上有效单颗磨粒经过m次切削的累加值，即ap=

升影响不了去除方式，超过一定的速度，表面质

0mh,其中0为考虑材料破碎去除时垂直面有效

量会逐渐稳定。图7则显示，比磨削能呈减小趋 切削次数的非常量系数。则切向磨削力为磨削过

势，切向磨削力呈增大趋势，工件表面粗糙度・722・2019年12月80140751207010080656060405520

30 40 502 4 6 8 10 12 14 16Grinding wheel speed/(m s_I)120100806040Workpiece feed rate xlOVfmm min-1)

图5不同砂轮线速度回应图(&)比磨削能变化趋势图， 图6不同工件进给速度回应图(bd比磨削能变化趋势图， (a2)切向磨削力变化趋势图，(aj粗糙度变化趋势图

(b2)切向磨削力变化趋势图，(bj粗糙度变化趋势图

Fig.5 Response maps for different grinding wheel

Fig.6 Response maps for different workpiece feed rates (bj speeds (aj Change trend of specific grinding energy (a2) Change Change trend of specific grinding energy (b2) Change trend of trend of tangential grinding force (a3) Change trend of roughnesstangential grinding force (b3)Change trend of roughness图7不同磨削深度回应图(G)比磨削能变化趋势图，(cj切向磨削力变化趋势图，(cj粗糙度变化趋势图

Fig.7 Response maps for different grinding depths (cj Change trend of specific grinding energy (c2) Change trend

of tangential grinding force (c3) Change trend of roughness第40巻第6期吴玉厚等：氮化硅陶瓷磨削力对表面质量的影响• 723 •呈增大趋势，表面质量变差。实验结果与去除机 3.3亚表面损伤理分析结果基本一致。脆性域磨削表面粗糙度和亚表面损伤深度存 3.2表面形貌在一定的关联，亚表面损伤深度越大，粗糙度越

观察磨削后的氮化硅陶瓷扫描电镜照片，如

大。脆硬性陶瓷材料的去除主要是单个磨粒沿着

图8(b)和(c),此时切向磨削力分别为42.8 N和

晶界移动，可以利用这种现象制备陶瓷，从而减 47.4 N,工件表面大多为塑性去除，有少量脆性 小磨削力和磨削能量，减小表面完整性损失[2°221。

断裂；图8(a)的切向磨削力为72.3 N,表面脆性

切向磨削力与材料横向去除有关，氮化硅陶瓷表 断裂明显增多；图8(d)的切向磨削力为135.4N,

面损伤的扫描电镜照片如图9所示，观察图9(a)、

表面已出现明显凹坑，考虑为磨粒在去除材料的 (d),材料未完全去除，留下横向裂纹；观察图9(b),

过程中，在磨削表面产生较大剪切力，造成脆性

结合表面形貌扫描电镜照片如图8(d),考虑为在去 断裂从而导致表面破碎。图8(e)、(f)的磨削深度 除过程中磨粒与气孔相互作用产生凹坑，此时切 为35 gm,脆性断裂明显增加，这可能是切削深 向磨削力明显较大，说明气孔处材料并不是工件

度的增加对磨削诱导的微裂纹对损伤层以及碎屑

中最好去除的部分。如图9(c)所示，磨削会使氮化

边缘损伤有影响，材料去除模式对切屑层厚度有

硅陶瓷亚表面偶尔产生微裂纹，此时切向磨削力

重要影响。综上所述，切向磨削力过大，加工表 较小，说明裂纹的产生能使材料更容易去除，但

面会有一定程度的恶化。并不能产生好的表面质量。◎IMW「二r —------ ... .V. I dvKStomaPlowing■ 产nt ['烷Jw.\"用愛緞養■恶S4800 5 »V 8 Omm x1 80k SE(M> j30 gm30 gmS4800 5 OkV 8 0mm »1 80k SE(M> _____图 8 表面形貌扫描电镜照片：(a)斥=72.3 N; (b)斤 =42.8N; (c)斤=47.4N; (d)斤=135.4 N; (e)斤T3.5N； (f)斤=48.1 N

Fig.8 Scanning electron microscope images of silicon nitride ceramic (a)Ft=72.3 N; (b)Ft=42.8 N;(c)R=47.4 N; (d)Ft=135.4 N; (e)Ft=13.5 N; (f)Ft=48.1 N图9氮化硅陶瓷亚表面损伤扫描电镜照片Fig.9 Scanning electron microscope images of surface damages on ground silicon nitride ceramic• 724 ・4结论(1) 平面磨削时，磨削力随单颗磨粒去除材料 体积的增大而增大，随单颗磨粒去除材料体积的 减小而减小，通过改变砂轮线速度、工件进给速

度和磨削深度改变单颗磨粒去除材料的体积，从

而改变磨削力。(2) 切向磨削力和比磨削能可以同时作为参 考量，从而判断加工表面材料的去除方式，比磨 削能在60-70 J/mm3且切向磨削力在10-60 N之间， 容易获得较好的表面质量。(3) 增大磨削深度要比增大砂轮线速度和增 大工件进给速度更容易出现裂纹，磨削深度为 5-15 nm时，几乎不出现裂纹，适用于氮化硅陶瓷 精密磨削。(4) 在氮化硅高效磨削时，可以在最优参数范 围内，选取磨削力较小的一组参数，实现高效磨 削并获得较好的表面质量。参考文献：[1]

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