工程陶瓷磨削加工材料去除模型的建立与应用分析

刘折

摘 要：本文结合应脆材料去除机理研究成果，基于磨削原理，建立了工程陶瓷磨削加工材料去除理论模型，并对模型的应用做了简要分析。论文指出，影响材料去除率的因素不仅有磨削参数，还有材料本身的性能参数；材料去除率的大小和材料的去除方式有关，材料以何种方式被去除取决于实际切削深度与临界切削深度的关系。本论文的理论研究和应用分析有利于指导工程实践，对降低工程陶瓷的加工成本，实现工程陶瓷更广泛的应用有重大意义。

关键词：工程陶瓷；磨削；材料去除率；模型

工程陶瓷因其强度高、耐高温、耐磨损、耐腐蚀等诸多优越性能而广泛应用于机械、电子、宇航、汽车、冶金、化工等领域。然而由于工程陶瓷硬度和脆性极高，成形加工十分困难，其加工成本达整个陶瓷元件成本的80%～90%，这也是妨碍其更广泛推广应用的主要原因。

在硬脆材料的加工制造方面，使用金刚石工具的磨削加工仍然是目前最常用的加工方法，占所有加工工艺的80%以上。由于陶瓷材料的高硬度和高脆性，大的材料去除率会使被磨陶瓷元器件产生各种类型的表面、亚表面损伤。因此，如何高效地获得所需的加工表面，降低加工成本一直是该领域亟待解决的主要问题。

本文结合应脆材料去除机理方面的研究成果，基于磨削原理，建立了工程陶瓷磨削加工材料去除理论模型，并对模型的应用做了简要分析。

1 硬脆材料去除机理

由BIFANO等人关于硬脆材料的延性域去除机理研究可知，当加工切深小于某个临界值时，塑性变形成为在微小加工单元条件下材料的主要去除机理，从而避免脆性破坏；一旦切深超过临界值，材料就可能产生宏观裂纹。在磨削加工中，磨削表面究竟是由塑性变形形成还是由脆性断裂形成，主要取决于磨粒的实际切削深度与延性去除的临界切深hc。当式中 β-常数

E-陶瓷材料的弹性模量

KIC-陶瓷材料的断裂韧度

H-材料的硬度。

2 工程陶瓷磨削加工材料去除模型

基于硬脆材料的去除机理，接下来建立陶瓷材料在塑性变形和脆性断裂两种不同去除方式下的材料去除数学模型。

2.1 单颗磨粒去除材料的体积

（1）材料以塑性变形去除为主。由BIFANO等人关于硬脆材料的延性域去除机理研究可知，当