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河南理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（英文翻譯）
研究工程陶瓷的鉆石工具鉆孔
Q.H. Zhanga, J.H. Zhanga, D.M. Sunb, G.D. Wangc
a中國濟(jì)南250061精實(shí)路73號山東大學(xué)機(jī)械工程系,
b中國濟(jì)南山東大學(xué)材料工程系
c中國濟(jì)南機(jī)械設(shè)計(jì)與研究院
摘要：應(yīng)用鉆石工具在工程陶瓷上鉆孔的技術(shù)已經(jīng)形成。 在這個(gè)方法中，鉆孔工具通過摩擦力而旋轉(zhuǎn)。鉆孔機(jī)械的機(jī)制是基于被分析過的斷裂力學(xué)概念以及一種關(guān)于物質(zhì)清除率的理論模型。 按照這個(gè)模式，通過增加靜態(tài)載荷應(yīng)力、鉆探工具的轉(zhuǎn)速以及磨料的顆粒大小可以增大物質(zhì)清除率。選擇含有99.5％Al2O3的陶瓷作為研究物質(zhì)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示，鉆石鉆孔在工程陶瓷制造上是一種有效的方法。
關(guān)鍵字：工程陶瓷； 鉆石工具；鉆井； 機(jī)械機(jī)制
1.前言
工程陶瓷有許多良好的物理和機(jī)械特性：高硬度、高熱能阻力、化學(xué)穩(wěn)定性高、低導(dǎo)熱和電氣熱等等。由于具有這些特性，工程陶瓷越來越多的應(yīng)用于一些高技術(shù)領(lǐng)域,從電子和光學(xué)器件發(fā)熱到穿抗零件[1-3]都有應(yīng)用。但是直到今天,他們大多僅限于應(yīng)用光學(xué)、電子儀器的應(yīng)用。原因之一是：燒結(jié)之前的形成過程具有限制，這一過程中的限制和復(fù)雜幾何難以確保有足夠的準(zhǔn)確性和表面的完善性。另外，在目前的使用過程中，也有相當(dāng)?shù)哪娌钌a(chǎn)或者在燒結(jié)過程中強(qiáng)硬的機(jī)械幾何作用，加上系統(tǒng)本身的限制以及大多數(shù)程序中的能力形成都是限制因素。
制造工程陶瓷的最早規(guī)模是通過傳統(tǒng)方法，這種方法非常的費(fèi)時(shí)費(fèi)力。強(qiáng)大的壓縮力和接受力，以及可以接受的表面和地表的破壞在某種程度上是一個(gè)巨大損失。因此，近些年里，在這一領(lǐng)域中的研究已經(jīng)開始應(yīng)用更有效的替代物質(zhì)程序來獲得動力，尤其是如何減少發(fā)生故障或表面裂縫的工程陶瓷[4-6]的制作途徑和方法上。
本文通過使用扶輪鉆石工具來研究一種在工程陶瓷上的機(jī)械鉆孔方法，它能提高物質(zhì)清除率，并且可以改善表面完善性。
本文將要探討基本機(jī)制鉆鉆石工具在陶瓷鉆孔上的知識，從而使提高預(yù)測物質(zhì)遷移率而計(jì)算的靜態(tài)負(fù)載應(yīng)力，摩擦力的表面積和鉆孔工具的合理轉(zhuǎn)速。
2.鉆石工具鉆孔的機(jī)制
鉆石工具鉆孔過程概略圖如圖1所示。這個(gè)工具在鉆孔過程是旋轉(zhuǎn)的，工件是固定裝置的。物質(zhì)遷移的微觀機(jī)制已通過觀察釘磨損的表面得到了普遍調(diào)查。物質(zhì)遷移過程被認(rèn)為是類似于一個(gè)切割工具，在任何情況下，可以取代單人工具或部分工具或破裂的顆粒表面的工作。該工件物質(zhì)被認(rèn)為是一件‘刺’的方式很多部分顆粒磨料上應(yīng)用。
由此得到的結(jié)論是,工程陶瓷的脆性斷裂出現(xiàn)主要在鉆石鉆探工具。理解了這一進(jìn)程,有利于掌握脆性材料的相似性，由于磨料顆粒在工件表面類似于硬度實(shí)驗(yàn)中壓頭的工作。
圖1.鉆石工具鉆孔進(jìn)程的概略圖：
(1)大件，(2)水，(3)工件， (4)工具， (5)進(jìn)水外殼。
2.1陶瓷凹槽的研究
通過維克壓頭在陶瓷正常接觸的情況下的變形和斷裂的說明如圖2所示。
圖2 基于凹槽的陶瓷的正常的變形和斷裂
直接的說這一個(gè)區(qū)域是壓變形。兩大裂縫系統(tǒng)已經(jīng)確定，它們是來自區(qū)塑膠:中/測裂縫和橫向裂縫。 這兩種行為的裂縫的殘余變形的彈性來自塑料/塑料材料。徑向裂縫是由一個(gè)楔子固定著在運(yùn)行時(shí)，這樣可以繼續(xù)發(fā)揮在卸貨條件下由于剩余張力而形成的力。橫向裂縫向下展開，強(qiáng)調(diào)只有在剩余的負(fù)荷被替換的條件下，才會發(fā)生輻射,伴隨著橫向裂縫將大大促進(jìn)物質(zhì)遷移的過程。 如如圖 2所示，在最后發(fā)生輻射和橫向裂縫是最易導(dǎo)致材料變脆的。一種主要的力Pc在輻射斷裂時(shí)的反應(yīng)可以這樣描述[7]：
在此ａ是量綱幾何因素有關(guān)的壓、斷裂韌性，KIC是工件的斷裂緊固性，而Hv是工件材料的維克硬度。
由直徑或裂縫的輻射數(shù)Cr和橫向裂縫CL，分別可以依據(jù)如下等式得出[8]：
其中P是承壓應(yīng)力，而ζ1和ζ2是比例常數(shù)。
人們普遍認(rèn)為橫向裂縫深度Ch是的一部分：
其中是ζ3[9]中的比例常量。
從以上的數(shù)據(jù)中我們可以得到這樣的結(jié)論，位/徑向的尺寸大小或橫向裂縫的變化是隨著負(fù)荷的不斷增加和工件材料斷裂韌性的不斷減少。到目前為止，研究的結(jié)果對理解實(shí)際的鉆石工具在工程陶瓷鉆孔過程提供了有用的信息。
2.2. 物質(zhì)清除率和不同參數(shù)之間的關(guān)系
根據(jù)陶瓷凹槽的測試結(jié)果表明，由于單一物質(zhì)磨損而引起一種模型物質(zhì)清除率的邊已經(jīng)達(dá)到了論證，正如圖3中所示。
圖3 切削形成過程的概略圖
模型僅考慮沿著表面線性案子的磨料類型。假定單個(gè)磨料循線道路，伴隨著深度不斷降低、工件材料體積被裝置替換為磨料(壓)在正常負(fù)荷P比例大小的橫向裂縫長度和輸送長度d 。清除材料的數(shù)量V0件,這樣得到的結(jié)果 (見圖 4):
圖4 鉆孔工具內(nèi)表面的該略圖
其中CL是在橫向裂縫長度，Ch是橫向裂縫深度，d代表運(yùn)動距離。
然后，為一種物質(zhì)清除率所給出的數(shù)值是：
其中ω是工具的轉(zhuǎn)速，r是裂縫軌道的半徑。
假設(shè)有效切削顆粒的密度是λ，顆粒的有效面積是dA(見圖 4)：
然后,工具的物質(zhì)清除率是：
工具表面的有效顆粒數(shù)量是[10]:
其中R1是鉆石鉆孔工具的外半徑，R2是鉆石鉆孔工具的內(nèi)半徑，K1是比例常數(shù)不變；Vg是磨損顆粒的速度，d0是磨損顆粒的平均直徑。然后:
在一個(gè)磨損顆粒中的承壓運(yùn)動是：
把等式（2），（3），（9），（10）代入等式（7）中：
把等式（11）簡化為：
其中K是比例常數(shù)不變。
根據(jù)等式(12)，物質(zhì)遷移率Mv將會增加,主要是通過增加靜態(tài)負(fù)載應(yīng)力W，工具的旋轉(zhuǎn)速度ω和磨損顆粒的大小d0。
3. 實(shí)驗(yàn)程序
對鉆機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)。鉆石鉆孔工具的設(shè)計(jì)是為了接受冷卻(見圖 1)，是一種特殊的鉆石輪外部半徑R2=10毫米，內(nèi)部半徑R1=6毫米。我們準(zhǔn)備了三類鉆石鉆孔工具，而它們的粒度分別是80、120和160，而它們的集合率都是100%。
選擇含有99.5%Al2O3的陶瓷作為研究對象，水作為冷卻材料。
精確度的衡量一個(gè)通過千分表，準(zhǔn)確度為毫米。鉆孔深度每分鐘可以衡量一個(gè)千分表，然后才能計(jì)算物質(zhì)清除率，(物質(zhì)清除率的截面積是鉆孔工具乘以鉆孔工具每分鐘鉆的深度). 表面粗糙度的測量用(英格蘭)4′度量，具有5%的誤差度。
4. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論
4.1 靜態(tài)負(fù)荷的影響
試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著靜態(tài)負(fù)荷的增加，物質(zhì)遷移率趨向增加，正如圖5所示，這和等式(12)很相似。
經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)表面粗糙度略受靜載荷應(yīng)力的影響，它隨著靜電負(fù)荷的增加而提高。目前的實(shí)驗(yàn)已在下列條件下進(jìn)行：ω =7.20 rev/min，C=80。 在靜態(tài)載荷W為25、35、45、55、65N時(shí)，表面粗糙度（Ra）分別時(shí)0.0040、0.0040、0.0042、0.0045、0.0045毫米。
圖5 靜態(tài)負(fù)荷的影響
4.2 鉆孔工具轉(zhuǎn)速的影響
圖6中顯示了鉆孔工具在不同轉(zhuǎn)速下得到的物質(zhì)清除率的效果。還有其他的因素影響物質(zhì)清除率，例如裂縫部位的切屑和磨損顆粒的自我完善。物質(zhì)清除率與鉆孔工具的轉(zhuǎn)速并不都是一致。
對切削提高物質(zhì)清除率是非常重要的。由于越來越多的轉(zhuǎn)速的鉆探工具，不少切屑形成，來越難走沖。這也將影響磨損顆粒的自我完善。一般來說，自我完善包括兩個(gè)部分，磨損顆粒通過逐步分割而自我完善和通過整體的分開而自我完善。當(dāng)切屑不能完全用水沖走，整體和磨損顆粒難以分割，影響到鉆孔工具的效率：從而物質(zhì)清除率將會受到影響。此外，切屑與沖的冷卻壓力也會有所影響。在本實(shí)驗(yàn)中的冷卻壓力是2.0*104Pa，在這種情況下，當(dāng)鉆孔工具的轉(zhuǎn)速達(dá)到1200rpm時(shí)，負(fù)荷就會發(fā)生。
圖6 鉆孔工具轉(zhuǎn)速的影響
4.3 顆粒大小的影響
根據(jù)等式(12)，物質(zhì)遷移率的增加將會隨著顆粒大小的增加而增加，這是由測試結(jié)果論證得到的，如圖7所示。
圖7 顆粒大小的影響
磨損顆粒的大小將大大影響表面粗糙度。表面粗糙度主要取決于磨損顆粒的大小。顆粒越大，制成品的表面越粗糙。最近實(shí)驗(yàn)的完成是根據(jù)以下條件：W=55N， ω=720rev/min. 當(dāng)C是80、120和160時(shí)，對應(yīng)的表面粗糙度(RA)分別是0.0045、0.0040和0.0020mm。
5. 結(jié)論
本文主要對鉆石鉆孔工具在陶瓷方面的基本機(jī)制做了研究，對材料清除率的影響因素做了探索。試驗(yàn)結(jié)果表明不論時(shí)增加靜態(tài)負(fù)荷，提高鉆孔工具的轉(zhuǎn)速，還是增大磨損顆粒的面積，都會達(dá)到增加物質(zhì)遷移率的效果。關(guān)系粗糙度制成品表面的粗糙度和各參數(shù)的關(guān)系是：提高靜態(tài)負(fù)荷，減少轉(zhuǎn)速，提高磨料顆粒大小都會使成品表面粗糙度增加。
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