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河南理工大學(xué)
出版發(fā)行 科學(xué)出版社 應(yīng)用力學(xué)和材料42卷 313—316頁(yè)
瑞士代碼:10.4208/www.sciientific.net/AMM.42.313
研究橢圓超聲波振動(dòng)所帶動(dòng)的金剛石砂輪磨削納米陶瓷材料ZrO2的溫度
作者：薛進(jìn)學(xué)，
簡(jiǎn)介：籍貫：中國(guó),河南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院教授，同濟(jì)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院兼職博士生導(dǎo)師；
郵箱：xjx@mail.haust.eu.cn
作者：趙波
簡(jiǎn)介：籍貫：中國(guó),焦作，河南理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院
關(guān)鍵詞：納米陶瓷，磨削溫度，橢圓修整，金剛石砂輪，超聲波振動(dòng)
摘要：為了研究影響磨削溫度的加工方法,分別用傳統(tǒng)裝置和橢圓超聲波振動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)兩種金剛石砂輪，用來(lái)磨相同的納米陶瓷材料。通過(guò)磨削實(shí)驗(yàn),進(jìn)行研究對(duì)比分析磨削溫度。結(jié)果表明,有橢圓超聲波振動(dòng)驅(qū)動(dòng)的金剛石砂輪可以降低磨削溫。
簡(jiǎn)介：工程陶瓷已經(jīng)發(fā)現(xiàn)廣泛地應(yīng)用磨削溫度會(huì)影響的加工精度、表面質(zhì)量和可靠性。于許多經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域。因此,掌握和運(yùn)用不同加工條件對(duì)磨削溫度的影響規(guī)律可以控制磨削過(guò)程和提高加工質(zhì)量。
試驗(yàn)條件:
實(shí)驗(yàn)選用數(shù)控系統(tǒng)的超精密平面磨床和,270 #樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石砂輪。金剛石砂輪分別有傳統(tǒng)裝置和橢圓超聲波振動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)傳統(tǒng)磨削和超聲磨削參數(shù)顯示在下表1。
類(lèi)型
項(xiàng)目
參數(shù)
普通磨削參數(shù)
金剛頂角
頂尖角60度
磨削深度
5微米/轉(zhuǎn)
進(jìn)給速度
0.030毫米/轉(zhuǎn)
超聲波磨削參數(shù)
研磨速度
45轉(zhuǎn)/分鐘
超聲功率
100瓦
超聲頻率
30000赫茲
冷卻液
需要
研磨深度
2-20微米/轉(zhuǎn)
研磨速度
5.3-60米/秒
工作臺(tái)轉(zhuǎn)速
12-16米/分鐘
冷卻液
不需要
橢圓超聲振動(dòng)系統(tǒng):
橢圓超聲振動(dòng)系統(tǒng)如圖1所示。它是根據(jù)共振機(jī)理而設(shè)計(jì)的。該系統(tǒng)包含兩個(gè)子系統(tǒng)——子換能器系統(tǒng)和振動(dòng)系統(tǒng)。作為系統(tǒng)負(fù)荷的一部分，可以調(diào)整金剛石頂尖長(zhǎng)度使其達(dá)到系統(tǒng)共振點(diǎn)[1].共振頻率為30000赫茲，振幅為10微米。
Diamon Grinding Wheel(金剛石砂輪)
Vibration Switching Device (振動(dòng)轉(zhuǎn)換器)
Ajusting Device(調(diào)整裝置)
Transducer(傳感器)
Ultrasonic Generator(超聲波發(fā)生器)
工件的特點(diǎn):
工件是用HIP的方法有納米材料ZrO2制成，HIP是一種高溫等靜力壓制的方法。工件尺寸是20X20X10(MM). 其力學(xué)性能見(jiàn)表2
參數(shù)
維式硬度（Gpa）
彈性模量（Gpa）
抗彎強(qiáng)度（MPa）
斷裂韌度（MPa.m1/2）
密度（g.cm-3）
高溫導(dǎo)電性（M.K）
比熱（KG/K）
泊松比
數(shù)值
12
360
700
9.3
6.2
2.1
610
0.27
磨削溫度試驗(yàn)方案:
紅外熱像儀法和紅外輻射特性對(duì)環(huán)境以及其他因素都很敏感,因此我們將人工熱電偶測(cè)溫法線夾在試驗(yàn)中如圖2[2-3]所示。由熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢(shì)信號(hào)來(lái)至樣品，通過(guò)屏蔽導(dǎo)體放大并傳遞到數(shù)據(jù)采集卡PCI6014 ，通過(guò)放大器INV-4multi-purpose anti-mixes放大。然后將獲得的信號(hào)通過(guò)虛擬軟件平臺(tái)labview展示和處理的,最后獲得表層溫度場(chǎng)的分布。
兩種磨削方法的磨削溫度特性:
即使磨料粒子離開(kāi)磨削區(qū),磨削溫度下降仍然緩慢。這是因?yàn)樘沾刹牧吓c金屬材料截然不同，陶瓷材料具有儲(chǔ)熱性和較低的導(dǎo)熱性。在切削接觸區(qū)存在最高切削溫度。
Fig.2 Grinding temperature testing scheme 圖2 磨削溫度試驗(yàn)方案
a) Temperature Acquisition 圖A 溫度的獲得
Workpiece 工件
b)Termocouple Wire 傳感線
磨削層溫度分布:
正如圖3所示。無(wú)論是有傳統(tǒng)裝置還是橢圓超聲波振動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)的砂輪,離切削區(qū)距離越近,溫度越高,溫度梯度越大,反之亦然。這兩種溫度相差10至17度，并且在相同的磨削參數(shù)下，溫度梯度很類(lèi)似。其原因是,在超聲波加工系統(tǒng)下用金剛石砂輪磨削所得到的菱形磨料顆粒的高度比在傳統(tǒng)磨削系統(tǒng)中所獲得的高,因此前有較大的法向前角,較小的磨削力和磨削熱，這就大大降低了磨削溫度。在相同的加工條件下加工相同的材料，溫度的梯度幾乎相同。
Fig.3 Temperature Distribution 圖三，溫度場(chǎng)的分布
Distance to Grinding Surfce[um] 橫坐標(biāo)：離磨削表層的距離 單位：微米。
Grining Temperature T 磨削溫度 ED 超聲加工磨削 TD 傳統(tǒng)磨削 Grinding condition 超聲磨削條件，AP=
不同加工方法對(duì)磨削溫度的影響:
圖4顯示了：對(duì)由超聲波震所帶動(dòng)的金剛石砂輪磨削納米陶瓷材料ZrO2時(shí)，磨削參數(shù)對(duì)磨削溫度的影響?；貧w分析結(jié)果表明：進(jìn)給量和超聲功率是影響磨削溫度最重要的因素。砂輪速度和磨削深度都是次要影響因素。其原因是,進(jìn)給量和超聲波功率對(duì)砂輪的形狀影響較大，并且對(duì)磨削所得到的菱形磨料顆粒的高度以及金剛石磨粒的鋒利度都有直接影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。
磨削參數(shù)對(duì)磨削溫度的影響:
從圖5可以看出：無(wú)論砂輪是由傳統(tǒng)裝置驅(qū)動(dòng)還是超聲波振動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)，磨削溫度與磨削深度也同樣存在著非線性的關(guān)系。正如上述所分析的那樣，當(dāng)用超聲波來(lái)帶動(dòng)砂輪進(jìn)加工時(shí)，磨削溫度較低。
當(dāng)磨削深度小于某一小深度時(shí)或者稍微達(dá)到某一特定深度時(shí)，磨削溫度就會(huì)快速增加。這取決于陶瓷材料餓脆性。由于陶瓷材料的脆性，陶瓷材料的塑性加工區(qū)域非常小。當(dāng)材料處于塑性加工狀態(tài)時(shí)，陶瓷就會(huì)發(fā)生微觀的結(jié)構(gòu)變形，磨削力也會(huì)變小。隨著磨削深度的不斷增加，參與磨削的磨料顆粒的數(shù)目也會(huì)增加，與此同時(shí)，接觸長(zhǎng)度也增加，如圖5所示。結(jié)果，磨削力增加，磨削溫度很快升高。隨著脆性斷裂和塑性剪切切削機(jī)理的綜合性能餓出現(xiàn)，磨削力就會(huì)下降；隨著磨削深度的增加，脆性斷裂的程度也增加，由磨削力增加而引起的磨削溫度的變化也趨于穩(wěn)定。
當(dāng)工作臺(tái)速度較高時(shí)，磨削深度越深，磨削溫度增長(zhǎng)的越快，,磨削燒傷越容易發(fā)生。因此，在相同的加工條件下，對(duì)于避免磨削燒傷和保證磨削質(zhì)量而言，選擇合理的磨削深度、進(jìn)給速率都是很有意義的。
隨著磨削速度的增加，單一磨料顆粒的最大切削厚度就會(huì)減小。磨削速度的增加可能會(huì)增加加熱功率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,隨著磨削速度的增加最高溫度也增加。這兩方面的影響導(dǎo)致了磨削能量和特定的磨削能量保持不變或小幅的變化。因此磨削溫度的變化并不明顯。增加砂輪的轉(zhuǎn)速可以明顯降低磨削力，并且磨削溫度也不會(huì)顯著增加，因此，在一定范圍內(nèi)提高砂輪轉(zhuǎn)速對(duì)加工陶瓷材料是有益的。
隨著工作臺(tái)轉(zhuǎn)速的不斷提高，單一磨料顆粒的切削厚度就會(huì)相應(yīng)的減小。磨削力和磨削能就會(huì)明顯增加，最終磨削溫度升高。
總結(jié):
由超聲波振動(dòng)驅(qū)動(dòng)的磨削其磨削溫度比由普通磨削裝置驅(qū)動(dòng)的磨削溫度低了將近15度，但是溫度場(chǎng)幾乎相同。進(jìn)給量和超聲功率是影響磨削溫度最重要的因素。砂輪速度和磨削深度都是次要影響因素。隨著磨削速度的增加，磨削溫度的變化并不明顯。隨著工作臺(tái)轉(zhuǎn)速的不斷提高，磨削溫度也升高。
參考文獻(xiàn)
【1】 趙波、高國(guó)富等著.金剛石與磨料（英文版）.第6版55-60頁(yè).中國(guó).2008.
【2】 劉傳紹、趙波、焦峰.等著刀具（英文版）.第40版6-9頁(yè).中國(guó).2006.
【3】 趙波、高國(guó)富等著.現(xiàn)代磨削技術(shù).中國(guó)工業(yè)出版社.2003.
【4】 焦峰、趙波等著.智能電腦在工業(yè)中的應(yīng)用.第29版130-136頁(yè).2007.
【5】 薛進(jìn)學(xué)，趙波，焦峰.金剛石與磨料（英文版）.第9版28-34頁(yè).中國(guó).2009.