外圓表面砂帶光整加工裝置設計含4張CAD圖

外圓表面砂帶光整加工裝置設計含4張CAD圖,表面,砂帶光整,加工,裝置,設計,cad 附錄1：外文翻譯 脆性固體的加工和表面處理 S CHANDRASEKAR和T N FARRIS 普渡大學工程學院，West Lafayette，IN 47907-1282，美國 電子郵件：chandy @ ecn.purdue.edu [摘要]：陶瓷材料主要通過磨削加工完成工藝如研磨，研磨和拋光。在研磨中，磨料通常在研磨輪中結合并與其接觸陶瓷表面以相對高的滑動速度。在研磨和拋光，陶瓷壓在拋光塊上，研磨劑懸浮在拋光塊中在它們之間以漿料的形式。這里的材料去除過程sembles三身穿。在所有這些過程中，機械作用的研磨劑可以認為是重復應用相對尖銳滑動壓印陶瓷表面。在這些條件下，少數(shù)的機制主導材料去除過程。這些是脆脆的由于裂紋系統(tǒng)定向為平行（橫向）和垂直（徑向/中間）到自由表面，延性切削形成薄帶狀芯片，以及在反應物存在下的化學輔助磨損其通過機械作用（摩擦化學反應）增強。關系每個這些機制的作用在一個特定的整理過程中可以與施加到磨料顆粒的載荷，滑動速度有關顆粒，以及化學反應物的存在。這些磨損機構也導致以微裂紋形式損壞陶瓷表面附近的殘余物應力，塑性變形和表面粗糙度共同決定強度和成品的性能。一個完整的理解導致材料去除的磨損機構的允許允許設計用于生產(chǎn)高陶瓷表面的高效加工工藝質量。 [關鍵詞]陶瓷表面; 磨削加工工藝; 表面處理; 磨損機制。 1.介紹 對可靠的元件制造的先進陶瓷材料的開發(fā)。的這些材料的使用在1990年達到約每年140億美元的銷售額并繼續(xù)下去以每年4％的速度增長（Jahanmir等1992）。先進的優(yōu)點陶瓷與其它材料的組合包括在高溫下的高硬度和強度，化學穩(wěn)定性，低摩擦和高耐磨性。但是，那些屬性賦予陶瓷優(yōu)異的耐磨性也使其難以加工。此外，這些陶瓷的有限延展性使得形成方法依賴于廣泛塑性變形僅用于處于生坯狀態(tài)的陶瓷。因此，廣泛的加工是制造具有高質量表面的復雜形狀所需要的。加工成本可以高達制造部件成本的80％。詳細了解陶瓷加工的磨損機理它們留下的損傷應該允許更經(jīng)濟的制造可靠高級陶瓷元件。 最近的作者回顧了包括Braza在內的陶瓷磨損的幾個方面等人（1989）概述了其與接觸疲勞的關系，Larsen-Basse（1994）比較和對比了陶瓷的磨損與已知的關于膠結的碳化物和金屬陶瓷，以及Jahanmir＆Dong（1994），他們給出了磨損圖相關接觸壓力和溫度的制度。 以下評論機械與加工相關的磨損方面。 2．材料去除過程 雖然車削和銑削廣泛用于金屬的加工，但是由于快速刀具磨損和大量表面，它們對于完全致密陶瓷不是有效的損傷。金剛石車削可用于加工生坯狀態(tài)的陶瓷，但可以加工完成在致密陶瓷上仍需要加工。因此，陶瓷的表面精加工主要通過磨料精加工，例如金剛石研磨，研磨，和拋光。這些過程需要滿足嚴格的公差和表面結構和電子陶瓷的完成要求（例如<0.05?m rms的磁性記錄頭，硅晶片，面密封件和軸承）。研磨過程去除材料機械地并且在陶瓷的表面上引入損傷（Marshall et al1983）。這種損壞通常以殘余應力和裂紋的形式存在主要影響機械性能和加工陶瓷表面的完整性。此外，塑性變形和隨后由表面引起的殘余應力精加工改變電磁性能，例如磁導率，電阻率和折射率電子陶瓷表面的指數(shù)（Stokes 1972）引起它們的劣化性能在電子設備。 通常，研磨中的材料去除速率（MRR）高于MRR in研磨和拋光。 在初始粗磨操作中的較高MRR導致表面損傷以微裂縫的形式，可能延伸到100 i?m深表面。 粗磨后依次是細磨，研磨和拋光這種損壞被不同程度地消除。 此外，研磨和拋光操作也可能以殘余應力的形式在表面上留下?lián)p傷和嚴重塑性變形層。 陶瓷的研磨主要由含有金剛石磨料的砂輪完成（Subramanian 1988）。鉆石被固定在車輪上相對柔順的樹脂粘結或剛化的粘結。砂粒是統(tǒng)計分布的在一系列尺寸范圍內，平均尺寸為?100 p?min的輪子被指定為粗糙和'?5?m在車輪指定為罰款。在研磨中使用的典型工藝參數(shù)包括輪表面速度為25至50m / s，切削深度為0.5至30μm，以及工作臺橫移速度?20mm / s。這些參數(shù)導致訂單的每單位車輪寬度的MRR為0.1至imm 3 / mm / s，每單位輪寬度的正常研磨力為5至100N / ram。對于給定的切削深度，磨削力通常隨著磨料顆粒尺寸而增加在車輪減少。這里，切削深度是指在a中去除的材料的深度單個橫過陶瓷表面的輪。但是，深度去除單個顆粒遠小于此并且在其間的接觸長度上變化輪和工件。接觸長度為1 =?（忽略車輪偏轉）其中R是車輪的半徑，d是切削深度;典型接觸長度為范圍1?2 mm。 施加到砂輪的力產(chǎn)生車輪和機器偏轉，使得實際的接觸長度與使用幾何學計算的接觸長度不同（Hucker等人11994）。輪偏轉是由于剛性金剛石磨料之間的局部接觸顆粒（嵌入順應性粘結）和工件以及全局偏轉由于與通過的總接觸力的傳輸相關聯(lián)的應力分布車輪?；钚阅チ项w粒數(shù)量的確定計算，即數(shù)量實際與切削動作的顆粒以及對這些顆粒的力分布粒子仍然不可用。然而，顆粒在輪上的統(tǒng)計分布表面表明許多顆粒具有遠遠小于但小于的深度磨削深度的順序。此外，單一的接觸壓力顆粒和陶瓷表面非常高并且近似等于陶瓷硬度。這與車輪 - 陶瓷上的平均壓力形成對比界面從力測量估計，這是在彈性范圍內。 大的相對滑動速度在磨料工件處產(chǎn)生高溫接口。 對于典型的磨削條件，紅外輻射測量的峰值溫度顯示它們高達1300℃（Hebbar等人1992）。 這些值與單點研磨中的溫度的測量和分析一致在類似的研磨條件下。 高研磨溫度的進一步證據(jù)是提供由球磨粒存在于磨屑中同時磨削硬化鋼（Lu et al 1992）。 研磨溫度局限在表面附近所產(chǎn)生的熱梯度產(chǎn)生熱應力，這在理解研磨過程中也是重要的。 磨削期間接觸應力和溫度的局部性質（即局部于單個磨料顆粒 - 陶瓷接觸）以及與變形和應力在加工表面，強烈建議理解陶瓷研磨過程中的材料去除機制，將有助于分析滑動在切削和滑動速度的深度下由硬顆粒壓印陶瓷表面發(fā)生在研磨。實際上，這種觀點是下面許多討論的基礎。 通過液壓或機械施加的壓力將塊裝載到工件上并以低速旋轉。顆粒滾動并滑過陶瓷表面，使得磨損類似于三體磨損，而不是磨削中的兩體磨損，拋光通常在使用初始磨削產(chǎn)生工件形狀之后進行;其主要目的是產(chǎn)生光滑的表面。使用硬研磨塊當需要對工件的平直度有嚴格的公差時，拋光產(chǎn)生更光滑的表面，因為許多磨料顆粒嵌入在軟的研磨塊。金剛石顆粒廣泛使用，但是較軟的磨料如Al 2 O 3，SiC和氧化鈰也被廣泛使用。如在研磨中，顆粒是統(tǒng)計學上的分布在尺寸范圍內，平均粒度范圍為0.05-70μm。 在研磨和拋光中磨料和陶瓷之間的平均滑動速度為0.5m / s或更小的量級，比研磨中的量級小兩個數(shù)量級。與研磨相反，滑動誘導溫度被認為是微不足道的研磨和拋光。單個磨料顆粒上的力隨總力變化應用于作為過程變量的塊或墊。通常，表面粗糙度（Ra）的成品表面隨著研磨壓力的增加而增加。典型去除速率在研磨和拋光的范圍為0.001-1mm 3 / s，這小于觀察到的研磨寬度為5mm的典型砂輪。較小的MRR建議與研磨相比，由研磨和拋光留在表面上的損傷更少。如在研磨中，材料去除可以被視為由于滑動壓痕滑動的顆粒，以及由于滾動的顆粒的準靜態(tài)壓痕。這個理想化與重疊和拋光表面的顯微觀察一致，和由這些方法形成的磨損顆粒（Chauhan等人1993）。 最近，在研磨基礎上研究磨粒力的分布模型已經(jīng)開發(fā)了顆粒的統(tǒng)計尺寸分布（Chauhan等人11993）。在那里紙，通過假設計算粒子工件接觸所需的柔量與具有錐形壓頭的壓痕相同。一個有趣的結果從計算中可以看出，大約只有1個105顆粒被有效地接合在給定時間的材料去除。此外，通過假設表面粗糙度成品表面與由顆粒產(chǎn)生的塑性區(qū)域的深度有關表面粗糙度可以從磨料顆粒的性質預測工件和研磨壓力。發(fā)現(xiàn)平均表面粗糙度Ra是相關的平均粒子力，而峰 - 谷表面粗糙度Rt與之相關由顆粒施加的最大力。在大多數(shù)情況下，這種模型的預測是與Al203的研磨和拋光的實驗觀察結果非常一致，鈉鈣玻璃和使用不同粒度的SiC研磨漿料的Ni-Zn鐵氧體。由于困難，部分地沒有進行類似的計算用于研磨與砂輪的表面輪廓的測量和缺少相關聯(lián)表征輪表面上的顆粒尺寸的統(tǒng)計分布。 3材料去除機制 表面和加工屑。這種顯微鏡觀察已經(jīng)顯示材料去除作為以下一種或多種的結果發(fā)生：側向裂紋斷裂打開到表面上;由于谷物拉出造成的總斷裂;中間/徑向裂紋相互交叉;和塑料微切割通過形成芯片單點車削金屬。這些觀察結果也已經(jīng)通過電子顯微鏡研究了通過機械加工形成的芯片和磨損顆粒來確認。優(yōu)勢的給定機制與由單獨的磨料施加的載荷密切相關陶瓷表面。通常，當外部施加的載荷傳遞時由磨料小，塑性微切或壓痕（有向上位移的材料周圍的縮進）機制被發(fā)現(xiàn)支配。這是特別的當在低負荷和/或用柔性，柔軟的拋光布（拋光塊）或在所謂的“延性體系”研磨方式。這些模式產(chǎn)生的表面的材料去除/位移的特征在于它們的極端光滑度。而且，材料去除的塑性微切割作用導致形成甚至在加工諸如玻璃，鐵氧體或MgO的脆性固體時也可以形成薄帶狀層。圖1示出了在鈉鈣玻璃的拋光期間形成的這種芯片。加工陶瓷如Ni-Zn鐵氧體，鈉鈣玻璃，Si3N4和氧化鋯的表面通過這種去除的塑性機制包含大約20-50MPa的殘余應力（Chandrasekar等1991）。此外，在地面上的位錯蝕刻點蝕實驗 并且拋光的單晶MgO塊顯示存在強烈變形表面層具有高位錯密度。這兩個觀察結果 圖1 來自鈉 - 鈣玻璃的SEM微雕刻帶狀拋光芯片。 加強了塑料微切割機制的材料去除以及形成的假設微凹痕和塑料刮痕。名義上的脆性固體中的塑料材料去除機制無疑是大的結果在陶瓷表面下方的小體積中產(chǎn)生的靜水應力磨料顆粒。 脆性固體的加工和表面精加工477脆性斷裂。通過脆性斷裂的材料去除的最常見的模式是由于側向裂紋向表面開裂，顆粒拉出或破碎型材料去除。再次，這些結論是從顯微鏡觀察到的機加工表面和磨損顆粒。 為了更好地理解這些機制，以及它們背后的驅動力是值得分析一個減少的陶瓷加工模型。這是提供通過滑動壓痕工藝，其需要單個磨料顆?；^的陶瓷工件。這種配置已經(jīng)在文獻中廣泛研究（Broese van Groenou等人1979; Swain 1979; Evans and Marshall 1981; Cheng和Finnie1990; Ahn等人1993）。這個實驗的示意圖和得到的裂紋模式是 如Ahn等人（1993）所總結的，實驗結果被描述不同的力方案，其中出現(xiàn)圖2所示的各種裂紋模式。對于一個維氏壓頭在鈉鈣玻璃上滑動，結果總結如下。在小于?0.05N的正常載荷下，沒有觀察到裂紋，但是形成凹槽表明局部塑性變形。在某些情況下形成這種凹槽是通過塑料切割機構去除材料的結果，其產(chǎn)生類似于圖1所示的芯片。在其他情況下，凹槽僅僅是滑動凹槽，即凹槽內的材料主要移動到凹槽的側面。在后一種情況是沒有材料去除，而只是塑料壓痕。在力量范圍為0.05-0.8N，觀察到垂直于表面的中間裂紋。深度的中間裂紋隨法向力增加。在0.8-3N的范圍內，中值開裂是伴隨著平行于表面的橫向裂紋。在負載較高部分 圖2.滑動壓痕和導致斷裂的示意圖。 這個范圍，側向裂紋穿透到表面導致材料去除。還在更高的載荷，例如3-6N，在刮擦槽中存在相當大的顆粒破碎，以及中值??裂紋。應力分析，使用滑動近似局部非彈性變形吸塑領域已由Ahn等人完成（1993）。這是通過擴展獲得的由Yoffe（1982）提出的靜態(tài)壓痕的泡罩場模型。在這個模型中通過測量將泡罩區(qū)域的強度作為壓痕載荷的函數(shù)進行評估刮痕槽的體積（圖2）。未開裂的拉伸應力的值Ahn等人（1993）報道了在不同系統(tǒng)的位置處的固體。壓力將發(fā)現(xiàn)側向裂紋對于低負載是小的并且等于中間值在通常觀察到發(fā)生橫向裂紋的負載附近的裂紋驅動應力。那滑動氣泡模型準確地預測實驗觀察到的臨界負載用于鈉鈣玻璃中的側向裂紋形成。到目前為止，一個完整的應力分析不存在脆性材料的滑動壓痕。 在這里必須注意的是，滑動壓痕強制在結果中總結都在研磨和拋光期間施加到磨料的力的范圍內。的早先描述的研磨力計算產(chǎn)生平均顆粒力在0.03-0.6 N，用于在典型條件下研磨和拋光玻璃，鐵氧體和Al 2 O 3。較小的力對應于?1?m的磨料顆粒尺寸，而較高的力對應粒徑?63?m。力值中的較小者在該范圍內其中在拋光期間觀察到通過切割的塑料材料去除滑動壓痕。較高的顆粒力在很好的條件范圍內該側向裂紋是滑動壓痕中材料去除的主要機制實驗。 在磨削加工過程中作為工藝變量的函數(shù)的體積磨損的計算沒有在任何顯著的程度上進行。 Evans＆Marshall（1981）使用斷裂力學獲得作為施加力的函數(shù)的磨損體積的公式和陶瓷材料性能，基于側向裂紋機理描述材料去除。然而，他們的預測側裂開始的公式 以及體積去除速率沒有通過實驗驗證，例如。 Larsen-Basse（1994）?；诳刹僮鞯牟煌p機制，在陶瓷的研磨，研磨和拋光期間的這種磨損率的分析估計是一個問題值得詳細研究。 4．結論 這個對陶瓷研磨加工的最新研究的簡要回顧強調了這一點兩種與材料去除相關的主要磨損機制：（1）脆性斷裂橫向裂紋與加工表面相交，當由磨料施加負載時顆粒高，和（2）具有如單個切屑形成的延性微切削金屬點加工。這些機制的證據(jù)來自微觀加工表面，切屑和磨損顆粒的觀察;從考慮在加工中由各個磨料顆粒施加的力和壓力，以及從480 S Chandrasekar和T N Farris在經(jīng)受類似于作用在磨料顆粒上的載荷的滑動微型壓痕機下的陶瓷表面中發(fā)生的變形的性質。其他意見殘余應力，磁性能變化，微裂紋和加工強度陶瓷提供了對這些機制的進一步支持。例如，研磨和精細結晶陶瓷的拋光表面通常具有殘余壓應力在支持材料機制的淺表面層中的高位錯密度通過塑性切割移除，以及通過壓痕移動材料。此外，這樣表面幾乎沒有顯微裂紋的跡象，并且在研和精細拋光的陶瓷中幾乎沒有強度降低和強度各向異性。相比之下，粗略拋光或研磨的陶瓷表面在表面中顯示出相當大的微裂紋層以及強度各向異性和強度降低。這與a一致通過脆性斷裂發(fā)生材料去除和磨損的機理。 總之，陶瓷的成本有效的加工需要理解的變形過程和由滑動壓頭產(chǎn)生的陶瓷中的應力場在機械加工中普遍存在的壓力和溫度條件下。通過控制和利用通過韌性切割形成的磨損顆粒與脆性顆粒之間的過渡斷裂，應該可以提高材料去除率和顯著提高加工表面的質量。使用活性化學試劑來增強或通過在界面處的摩擦化學反應減少材料去除研磨劑和陶瓷工件在這方面也應該是有益的。 該研究得到國家科學基金會通過贈款部分支持MSS 9057082，Jorn Larsen-Basse，項目總監(jiān)和DDM 9057916，Bruce Kramer，項目總監(jiān)。 附錄2：外文原文