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碳化硅陶瓷的磨削去除方式及质量控制

发布日期:2017-12-08 作者:鼎力耐磨材料 点击:

  碳化硅陶瓷具有硬度高、强度高和耐高温等优异性能,被广泛运用于化工、矿业、航空航天、汽车和微电子等工业领域。

  

  在加工过程中,陶瓷材料常需要进行钻孔和开槽等工序,而碳化硅陶瓷具有较高的硬度及较低的断裂韧性,是典型的难加工材料。对于碳化硅陶瓷的加工,国内外研究主要涉及碳化硅陶瓷的磨削工艺和加工效率等,鲜有关于碳化硅陶瓷的具体磨削去除方式及加工质量的研究报道。

  

  本文采用烧结金刚石钻头对碳化硅陶瓷进行磨削钻孔,通过理论计算及试验观察的方式,获得碳化硅陶瓷的磨削去除方式,并通过施加预紧力的工艺装置较大程度地减小孔出口的崩豁和裂纹,从而改善孔加工质量,获得最优预紧力及其理想范围。

  

  一、试验

  

  1)、试验材料及设备

  

  试验采用烧结金刚石钻头,其结构如图1所示,由工作层、过渡层和金属基体等三部分组成。工作层为金刚石磨粒与金属结合剂混合的压制层,金刚石磨粒包裹于结合剂中,从而实现对工件材料的磨削;过渡层由结合剂粉末组成,不包含金刚石,牢固连接基体与工作层;基体由45#钢经机械加工而制成,起支撑工作层的作用,同时便于装卡工具。烧结金刚石钻头工作层高度为6mm,外径为20mm,内径为16mm,水口数为2个,金刚石粒度为50/60(直径为250μm),金刚石磨粒的浓度为50%(0.44g/cm3,400%浓度制)

  

  烧结金刚石钻头结构

  

  试验采用的碳化硅陶瓷工件为正方形,质量分数为99.5wt%,断裂韧性为3.9MPa·m1/2,维氏硬度为26GPa,工件厚度为10mm。

  

  在ZXL-20型钻铣床上进行试验,其额定功率为750W,加工时采用水冷却,冷却液压力为0.3MPa,冷却液流量为120cc/s。试验采用JSM-6300型扫描电镜观察碳化硅陶瓷的孔加工表面,为了确保试样的导电性,观察前对加工表面进行喷金处理。

  

  2)、预紧力工艺装置

  

  针对钻头加工碳化硅陶瓷出现的裂纹及崩豁现象,设计了由上压板、上垫板、下垫板及夹具体组成的预紧力工艺装置,装置示意图见图2。

  

  预紧力工艺装置

  

  试验采用的垫板材料为PVC硬塑料板,其弹性模量为2300-2500MPa,厚度为2mm。采用M12粗牙普通螺纹螺栓实现预紧,通过BK-282002测力矩扳手拧紧力矩来控制预紧力的大小,观察碳化硅陶瓷的孔加工质量,选择最优预紧力。

  

  二、结果分析

  

  1)、磨削去除方式分析

  

  由压痕断裂力学模型可知,在陶瓷磨削过程中,当对单颗磨粒施加的法向载荷大于由陶瓷材料本身决定的单颗磨粒临界切削载荷时,陶瓷材料将会产生裂纹,当裂纹扩展至自由面时,陶瓷材料发生脆性断裂,从而形成切屑。当对单颗磨粒施加的法向载荷低于由陶瓷材料本身决定的单颗磨粒临界切削载荷时,裂纹不会产生更不会扩展,磨粒使材料发生塑性变形。

  

  2)、预紧力的设计与优化

  

  碳化硅陶瓷在钻孔过程中,出口处容易发生崩豁现象,其形状类似圆锥体,因此选择圆锥体的扩口圆直径D与孔径D0的比值l(l=D/D0,崩豁比)和锥体高H(崩豁深度)作为不同预紧力条件下孔加工质量的评价参数见图4。相同轴向压力及主轴转速条件下,崩豁比及崩豁深度小,说明此预应力条件下孔加工质量好;崩豁比及崩豁深度大,则说明此预应力条件下孔加工质量差。为了减小试验误差,测量多点取平均值。试验前使用氧化铝砂轮对烧结金刚石钻头的唇面进行磨削开刃,确保钻头处于正常工作状态。

  

  小结

  

  1)、理论分析表明,试验条件下单颗金刚石磨粒的平均载荷远大于碳化硅陶瓷的单颗磨粒临界切削载荷,碳化硅陶瓷材料主要以脆性断裂的方式去除,并伴随塑性变形现象。

  

  2)、试验观察发现碳化硅陶瓷磨削表面存在沟槽、划痕及大量凹坑,脆性断裂特征明显,同时存在塑性变形现象,试验结果与理论分析一致。

  

  3)、施加预紧力有助于改善碳化硅陶瓷的孔加工质量,预紧力为15200-16800N时,孔的崩豁程度较小,孔加工质量较好,最优预紧力为16000N。


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关键词:碳化硅陶瓷,碳化硅陶瓷厂家

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