內(nèi)排屑深孔振動(dòng)鉆削系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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低的表面粗糙度使陶瓷表面很容易破壞。這種表面破壞包括表面裂紋、微裂紋和有害的抗應(yīng)力。表面裂紋和抗應(yīng)力相結(jié)合，將影響陶瓷材料的性能和加工后的承載能力。陶瓷材料的應(yīng)力取決于它對(duì)破壞的抗力和能夠引起應(yīng)力變化的毛細(xì)孔、應(yīng)力破壞和微裂紋。斷裂分析表明：內(nèi)部斷裂是造成陶瓷表面失效的主要原因，這種情況經(jīng)常在精加工中出現(xiàn)。這些表面上的破壞形式限制了應(yīng)力，并決定應(yīng)力分布，從而影響應(yīng)力作用下裂紋的生長(zhǎng)。我們經(jīng)常觀察到在同一材料的不同樣品中，破壞應(yīng)力變化很顯著。之所以這樣，部分原因是表面缺陷的任意分布。由于這個(gè)原因，我們需要一種計(jì)算應(yīng)力變化的方法。幾項(xiàng)研究表明復(fù)合應(yīng)力可以用來(lái)表示陶瓷加工的表面完整性。因?yàn)楹艽蟪潭壬?，韋伯模數(shù)描述了復(fù)合應(yīng)力分布值。韋伯模數(shù)值較大，則表明應(yīng)力分布范圍狹窄以及材料性能很好。然而小的韋伯模數(shù)表明應(yīng)力集中分布裂紋、廣泛，可以歸因于精加工過(guò)程中表面的破壞。在這項(xiàng)研究中，專家研究了電火花加工超、聲加工金、剛石切削含氧化鋁，炭化鈦，鉬，鎳等陶瓷材料，檢測(cè)了表面粗糙度、硬度、光潔度。復(fù)合應(yīng)力及其分布用來(lái)估量機(jī)械加工過(guò)程中表面的完整性，目的是比較機(jī)械加工過(guò)程中的表面質(zhì)量，獲得切削加工對(duì)應(yīng)力及其分布的影響。2.材料及實(shí)驗(yàn)步驟：2.1材料比較 目前研究所用的材料是作者發(fā)明的含鋁的復(fù)合陶瓷。材料中含有大量的氧化鋁，同時(shí)，炭化鈦按表1中的比例加入其中。最后在3.6MPa大氣壓下進(jìn)行8分鐘的熱壓縮，從而形成陶瓷磁盤，所需的溫度范圍是16001800度。少量的鉬和鎳元素加入其中是為了較少電子斥力，增加內(nèi)部彎曲應(yīng)力。表1列出了陶瓷中所含的成分的機(jī)械特性。表1. 陶瓷中所含的成分的機(jī)械特性成分(vol %)復(fù)合應(yīng)力(MPa)斷裂應(yīng)力(MPa.m/s)硬度(GPa.)Al2O3/50%TiC/5% Mo/Ni9005.0420.52.2加工方法和試驗(yàn)步驟：電火花加工是一個(gè)熱加工過(guò)程，在刀具電極和工件之間產(chǎn)生大量的熱。電火花為加工陶瓷材料提供了一種方法，無(wú)論它的的強(qiáng)度和應(yīng)力如何，只要導(dǎo)電器足夠。本次試驗(yàn)中所用的線電火花切割機(jī)是三菱電器系統(tǒng)模型DWC90G系列，電路脈沖最大電流為30A。該線切割機(jī)有線網(wǎng)使用的銅管直徑0.25 毫米直徑，平均電壓55V,瞬時(shí)電流可以設(shè)定為5A、10A、14A。超聲加工用于硬性材料和脆性材料，不管它們是否導(dǎo)電和是否經(jīng)歷了熱燒傷。在超聲機(jī)械加工中， 超聲使磨料微粒與冷卻液在振幅范圍內(nèi)（通常小于75um）和工具一起振動(dòng), 并且陶瓷材料先在磨料微粒作用下脫落。在這項(xiàng)研究中,超聲波是在J93025機(jī)床(中國(guó)制造)上工作的, 它的功率250瓦,頻率1625千赫茲，靜態(tài)負(fù)荷是10N,分別使用了80，120和240B4C磨料微粒。 金剛石切削是用金剛石刀具在Struers Accutom-2機(jī)床上工作，它的進(jìn)給速度為0.5mm/min，切削速度為6m/s。為每一種切削準(zhǔn)備好小樣本（3416mm）用來(lái)測(cè)量復(fù)合應(yīng)力。他們用3點(diǎn)彎曲模式測(cè)量跨度在10mm以上，速度為0.5 mm/min時(shí)的復(fù)合應(yīng)力。應(yīng)力可以通過(guò)兩個(gè)限定的韋伯參數(shù)分析。對(duì)部件表面粗糙度的測(cè)量則通Talysurf10系統(tǒng).。硬度則通過(guò)Zwick3212硬度計(jì)測(cè)量。他們還通過(guò)電子顯微鏡觀察加工表面的顯微結(jié)構(gòu)。3.結(jié)果與分析：3.1切削含氧化鋁，炭化鈦，鉬，鎳等陶瓷材料的表面光潔度圖1.電火花切削含氧化鋁，炭化鈦，鉬，鎳等陶瓷材料的顯微結(jié)構(gòu)圖1（a）顯示了電火花加工含氧化鋁，炭化鈦，鉬，鎳等陶瓷材料的表面的顯微結(jié)構(gòu)?？梢园l(fā)現(xiàn)上面有大量的微觀裂紋。其表面上出現(xiàn)直徑變化的凸凹不平的小坑，同時(shí)微裂紋和瑕斑造成的顯著的表面破壞也能看到。在電火花加工表面上找到這些特征的可能性很大。用電火花加工含氧化鋁，炭化鈦，鉬，鎳等陶瓷材料，不管是金屬變形的融化階段還是熱剝落的耐火階段，微觀裂紋對(duì)材料的切除和表面的形成作用很大。電火花加工表面形成機(jī)制可能是：火花在金屬如鉬，鎳可能會(huì)融化的導(dǎo)熱階段形成。這些階段高導(dǎo)熱性加大了表面粗糙度。圖1（b）顯示了表面上有更大的坑和二次硬化層?？梢钥闯?，由電火花造成的表面破壞導(dǎo)致鉬，鎳的侵蝕和氧化鋁，炭化鈦顆粒的暴露。其表面破壞的可能性和程度是通過(guò)比較與部件表面向垂直的橫截面得到的。圖2是電子顯微結(jié)構(gòu)圖,它取自表面上小坑的中心，展示了表面破壞，它揭示了表面明顯得到硬化。表面層的顏色比中心顏色深，厚度大概是8um。這些表面上的小坑和裂紋深深地影響陶瓷地性能和應(yīng)力，以后我們就可以看到。圖2. 電火花切削含氧化鋁，炭化鈦，鉬， 圖3.超聲波加工含氧化鋁，炭化鈦，鎳等陶瓷材料的橫截面的顯微結(jié)構(gòu) 鉬等陶瓷材料的顯微結(jié)構(gòu)超聲加工表面與電火花加工有很大的不同。圖3表明了典型的超聲加工含氧化鋁，炭化鈦，鉬，鎳等陶瓷材料的表面的顯微結(jié)構(gòu)。它顯示材料的剝落主要是依靠細(xì)微的折斷，顯然，這些斷裂是晶體和非晶體混合作用的結(jié)果。加工表面的特征受那些大量的小的碎片影響。和圖1相比較，超聲加工后的表面相對(duì)比較光滑，而且沒(méi)有顯著的裂紋。典型的金剛石切削含氧化鋁，炭化鈦，鉬，鎳等陶瓷材料的顯微結(jié)構(gòu)在圖4中顯示?？梢钥吹狡浼庸け砻婧幸蚣?xì)微切割造成的剝落碎片和因微裂紋產(chǎn)生的溝壑。溝槽的側(cè)面，我們看到有碎片，這些剝落碎片能夠表明切削過(guò)程中細(xì)微斷裂的存在。金剛石切削過(guò)程中，表面上很少有獨(dú)立顆粒剝落的證據(jù)。3.2. 含氧化鋁，炭化鈦，鉬，鎳等陶瓷材料的粗糙度和硬度：電火花加工,超聲加工，金剛石切削材料的粗糙度和硬度在表2中列出?？梢钥吹剑弘娀鸹庸ず蟮谋砻娲植诙茸畲?，硬度最小。其高粗糙度歸因于能夠從圖1中看到的裂紋小坑以及溝槽的存在，而表面硬度很低可能是因?yàn)闊嵊矊拥拇嬖冢ㄔ趫D2中表示）。若是電火花加工時(shí)采用較小的電流，那么得到的表面粗糙度較小，因?yàn)殡娀鸹ǖ哪芰棵芏扔兴鶞p少。但是在這兩種磨削加工過(guò)程，表面硬度卻沒(méi)有顯著的不同。 表2. 含氧化鋁，炭化鈦，鉬，鎳等陶瓷材料的粗糙度和硬度試樣切削參數(shù)粗糙度(um)硬度(GPa)電火花加工U=55v Ip=5-14A1.64-2.5514.7-16.5超聲加工磨粒顆粒B4C80-2400.15-0.8518.2-19.8金剛石切削切削速度V=6m/s0.65-1.4218.5-20.23.3.含氧化鋁，炭化鈦，鉬，鎳等陶瓷材料的復(fù)合應(yīng)力及其分布： 圖4.金剛石金剛石切削含氧化鋁，炭化鈦，鉬，鎳等陶瓷材料的顯微結(jié)構(gòu) 圖5.電火花加工含氧化鋁，炭化鈦，鉬，鎳等陶瓷材料的韋伯模數(shù)電火花加工的試樣的應(yīng)力分布在的韋伯模數(shù)在圖5中顯示出來(lái)，圖中斜率表示每一種分布的韋伯模數(shù)。斜率越大，應(yīng)力數(shù)值變化量就越小。表3記錄了在每一中切削狀態(tài)下的韋伯模數(shù)和平均應(yīng)力。至于表1和表3，可以證明電火花加工后的應(yīng)力很低，僅僅是原材料應(yīng)力的6880，韋伯模數(shù)范圍是6.38.7。這表明電火花加工對(duì)加工試樣的復(fù)合應(yīng)力有壞的影響。電流越大則裂紋越多。當(dāng)電火花加工電流為5A時(shí)，可以得到平均應(yīng)力716MPa，韋伯模數(shù)為8.7。當(dāng)電流達(dá)到10A時(shí)，平均應(yīng)力下降到655MPa，而韋伯模數(shù)為7.1；，當(dāng)電流達(dá)到15A時(shí)，平均應(yīng)力就會(huì)下降到619MPa，而韋伯模數(shù)為6.3。電流越高，其能量密度越大，增加了材料脫落的比率和表面粗糙度。表面缺陷可以導(dǎo)致部件嚴(yán)重失效。表3. 電火花加工陶瓷材料應(yīng)力分布的韋伯模數(shù)試樣電流（A）韋伯模數(shù)平均應(yīng)力（MPa）電火花加工表面14，10，56.3，7.1，8.7619，655，716陶瓷加工中一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題是工件表面裂紋的激發(fā)。這主要是因?yàn)榱鸭y與表面上突出的缺陷的大小和分布有關(guān)?？刂莆⑿〔牧蠎?yīng)力這一基本因素將決定加工中缺陷形成的大小。電火花引起的裂紋和小坑可以說(shuō)是斷裂的根源，并且能夠引起應(yīng)力遞減，電火花加工表面的破壞主要?dú)w因于韋伯模數(shù)太低。表4. 超聲波加工陶瓷材料應(yīng)力分布的韋伯模數(shù)試樣顆粒大小韋伯模數(shù)平均應(yīng)力（MPa）超聲波加工表面80，120，24014.3，15.3，16.9781，808，828表5.金剛石加工陶瓷材料應(yīng)力分布的韋伯模數(shù)試樣韋伯模數(shù)平均應(yīng)力（MPa）金剛石加工表面 19.2864圖6.超聲波加工含氧化鋁，炭化鈦，鉬，鎳等陶瓷材料的韋伯模數(shù)超聲波加工的試樣的應(yīng)力分布的韋伯模數(shù)在圖6中顯示出來(lái)。表4記錄了在每一中切削狀態(tài)下的韋伯模數(shù)和平均應(yīng)力?？梢宰C明：超聲波加工的試樣的平均應(yīng)力值要比電火花加工的試樣大，韋伯模數(shù)也相應(yīng)增加，范圍是14.316.9。這表明了與電火花加工相比，超聲波加工過(guò)程中有種力抵擋、限制含氧化鋁，炭化鈦，鉬，鎳等陶瓷材料表面的破壞。磨削顆粒越小，應(yīng)力和韋伯模數(shù)越大。金剛石加工的試樣的應(yīng)力分布的韋伯模數(shù)在圖7中顯示出來(lái)，表5記錄的是其韋伯模數(shù)和平均應(yīng)力。金剛石切削在6m/s的切削條件下，應(yīng)力為846 MPa，韋伯模數(shù)為19.2。經(jīng)過(guò)比較可以看出：超聲波加工和金剛石切削過(guò)程比較平穩(wěn)，復(fù)合應(yīng)力和韋伯模數(shù)比電火花加工的試樣高。圖7. 金剛石切削含氧化鋁，炭化鈦，鉬，鎳等陶瓷材料的韋伯模數(shù)4.結(jié)論：對(duì)電火花加工,超聲加工，金剛石切削含氧化鋁、炭化鈦、鉬、鎳等陶瓷材料部件的表面的完整性進(jìn)行比較，可以得到一下結(jié)論：1.電火花加工含氧化鋁，炭化鈦，鉬，鎳等陶瓷材料部件表面由于熱量原因產(chǎn)生缺陷和裂紋，其表面質(zhì)量和殘余應(yīng)力隨電流的增加而降低，而表面質(zhì)量差是因?yàn)轫f伯模數(shù)太低。 2.大多情況下超聲加工和金剛石切削可以獲得較好的表面質(zhì)量，其應(yīng)力和韋伯模數(shù)比電火花加工試樣高。超聲加工中，復(fù)合應(yīng)力和韋伯模數(shù)隨磨料顆粒的減小從而得到改善。 注： 11