基于高静水压磨削方法的工程陶瓷高效低损伤磨削基础研究

Engineering ceramics is widely used in the energy, aerospace, military, metallurgy and other industries because of its good mechanical and physical properties. Diamond wheel grinding is one of the most commonly methods in their machining process. However, due to the high hardness, high brittleness and low fracture toughness of engineering ceramics, how to suppress the grinding surface damage and improve the processing efficiency is a problem in the academia and the engineering areas. This project present the high hydrostatic pressure grinding method of engineering ceramics, the engineering ceramic is pressed by three directions while in grinding process based on the high hydrostatic pressure (200-500MPa), thus the formation of sub-surface grinding cracks is inhibited and improve the critical depth of grinding without damage of the engineering ceramics, and greatly improve the efficiency of the engineering ceramics grinding. Based on the theory of fracture mechanics and elastic-plastic mechanics, the match model of hydrostatic pressure-grinding parameters-critical depth with no grinding damage will be established by discrete element simulation and experimental method to reveale the material removal mechanism of high hydrostatic pressure grinding and the mechanism of surface damage formation, the high efficiency and low damage processing theory of high hydrostatic pressure grinding engineering ceramics will be systematically established. Through this project, the problem of high engineering ceramics processing efficiency and low damage will be solved and effectively promote a widely applications of engineering ceramics.

工程陶瓷因其良好的力学与物理性能而在能源、航空航天、军工、冶金等行业获得广泛应用，金刚石砂轮磨削是陶瓷加工最常用的加工方法之一。然而，由于工程陶瓷的高硬度、高脆性与低断裂韧性，如何抑制磨削损伤并有效提高加工效率，一直是困扰工程界的难题。本项目提出了工程陶瓷的高静水压磨削加工方法，利用高静水压力（100-400MPa）使陶瓷在X、Y、Z三个方向均承受较大的压应力，以抑制磨削中亚表面中位裂纹的形成与扩展，有效提高工程陶瓷无损伤磨削的临界切深，从而提高工程陶瓷的低损伤磨削效率。并基于断裂力学与弹塑性力学，通过离散元模拟与试验相结合的方法，建立磨削工艺参数-陶瓷力学性能-加工损伤之间的关系模型，揭示高静水压磨削的材料去除机理与表面/亚表面裂纹损伤形成机制，建立高静水压磨削工程陶瓷的高效低损伤加工理论。通过本项目研究，将有望解决工程陶瓷加工效率与低损伤无法皆得的难题，从而推动工程陶瓷更为广泛的应用。

为降低工程陶瓷磨削加工时所出现的表面及亚表面损伤，人们常常通过超细磨粒砂轮与降低磨削深度和进给速度的方式或者磨削后采用精密抛光的方式来实现，然而较小的磨削参数与附加的抛光工艺导致陶瓷器件的加工效率低下与制造成本偏高的问题。为降低工程陶瓷的磨削加工损伤与提高工程陶瓷加工效率，本项目通过离散元方法模拟与实验相结合的手段研究了工程陶瓷在高静水压下的磨削加工损伤与材料去除机理。首先采用离散元方法分析了工程陶瓷在一维与多维亚高静水压应力场作用下的单点划痕材料去除行为，发现随着压应力场的增加，划痕损伤层深度减小；其次研制了高静水压装置，可实现一维与二维高静水压均衡加载，最大高静水压应力加载值可达1000MPa；第三是采用弹塑性力学与断裂力学建立了工程陶瓷在一维与二维高静水压下单点划痕过程中的应力场分布规律，高静水压应力场可使不同位置点的应力值由拉应力转变为压应力，并且当位置点离划针尖端距离越近时，高静水压应力场的效果降低，这主要是离划针尖端越近，应力集中现象越明显；第四是在不同的划痕速度 (3-5mm/min~20-30m/min)与不同的高静水压力（0~600MPa）下，开展了工程陶瓷的单点金刚石划痕试验，试验结果表明，随着划痕载荷的增加，划痕损伤降低，随着划痕速度的增加，划损伤层深度降低，分别采用声发射信号与亚表面显微观察方法研究了工程陶瓷的亚表面损伤行为，发现超声信号与工程陶瓷裂纹的扩展以及力信号具有很好的对应关系；第五是开展了不同类型工程陶瓷的高静水压磨削(氧化铝、碳化硅、氧化锆)，研究发现，高静水压有助于降低工程陶瓷的磨削损伤，同时，在同等磨削参数下，高静水压会引起磨削力增大；第六研究了高静水压磨削工艺参数对陶瓷器件摩擦磨损性能的影响，结果表面，同等磨削参数下，高静水压磨削有助于改善陶瓷器件的摩擦磨损性能。通过本项目的研究，有效证明了高静水压磨削方法是一种降低工程陶瓷磨削损伤的有效方法，为降低工程陶瓷磨削损伤与提高其加工效率提供了一种新思路。