纳米结构陶瓷涂层材料的精密磨削技术

技术领域

本发明涉及一种磨削加工工艺技术，特别是涉及一种纳米结构陶瓷涂层材料的精密磨削技术。

背景技术

随着材料科学的发展，出现了纳米结构材料技术。当材料的晶粒尺寸减小到纳米级(几十纳米)时，就得到一种新材料，即“纳米结构材料”，其泛指粒径在1-100nm范围内的纳米粉末以及纳米多孔材料和纳米多致密材料，种类包括金属、氧化物、无机化合物和有机化合物等。目前来说，由于受烧结和团聚等难题的困扰，制备纳米结构陶瓷块体材料还存在一定的技术困难。为发挥纳米材料的优异性能，制备纳米结构陶瓷涂层已成为一条重要途经。近年来，人们已在金属基体上采用高速火焰喷涂(HOVF)和等离子喷涂方法分别制备纳米结构WC/Co涂层材料和纳米结构Al₂O₃/TiO₂涂层材料。

纳米结构陶瓷涂层材料具有相当大的应用前景。不过其要获得工业化应用不但取决于其纳米结构涂层制备(组装)技术，更取决于其后续的精密加工技术。

纳米结构陶瓷涂层材料的高硬度和高耐磨损特性使其成为一种难加工材料。通常，磨削用量、砂轮特性、材料特性及显微结构等磨削参数对磨削损伤的产生及损伤特征起决定作用。包括纳米结构陶瓷涂层在内的工程陶瓷材料，其材料特性是硬度高，断裂韧性指标低，磨削时易产生表面/亚表面损伤，这些损伤包括微观裂纹、材料粉末化、宏观裂纹(如中位/径向裂纹和横向裂纹)、材料碎裂、材料压碎、相变、残余应力、孔隙及疏松区塌坑等。陶瓷(涂层)材料去除时可能产生的表面/亚表面损伤将会引起陶瓷材料元件强度和耐磨性的降低，会改变材料特性，严重的损伤甚至会造成零件的失效。随着现代成形工艺的发展，工程陶瓷成型质量已经有了显著的改善，材料缺陷的尺寸和数量已经大大减小，陶瓷元件上的损伤主要来自于磨削加工或其它加工工艺。目前，人们对工程陶瓷(陶瓷涂层)的磨削表面/亚表面损伤的形式、本质和损伤深度还没有完全弄清楚，因而增加了陶瓷材料在结构应用中的不确定性和危险性。

高效精密磨削加工纳米结构陶瓷涂层(工程陶瓷)的根本目标是在保持足够的尺寸精度和材料表面完整性及足够的陶瓷材料强度和耐磨性的同时，获得最大的材料去除率，最终实现纳米结构陶瓷涂层(工程陶瓷)的高效、经济、优质、低损伤的加工。然而，通过采用大材料去除率降低加工成本，又主要受到那些将导致纳米结构陶瓷涂层元件耐磨性能损失的表面/亚表面损伤所限制。

对纳米结构陶瓷涂层材料的磨削加工方法与传统材料的磨削加工方法不同，磨削时磨削参数对其精密磨削的磨削力、磨削力分力比、磨削比能、磨削表面粗糙度、磨削后表面/亚表面损伤(宏观裂纹)、材料去除机理等可磨削性指标的影响都与传统材料的磨削加工方法不同。

对于近年来出现的纳米结构陶瓷涂层的精密磨削方法，人们缺乏其精密磨削机理和磨削工艺参数，这将使得其加工时间长和加工成本高，而且加工质量得不到保证。目前人们对工程陶瓷材料也未建立起完善的精密磨削机理和磨削工艺参数理论体系，使得对这种材料的加工时间长，制造成本高。

发明内容

本发明的目的是提供一种在获得良好的几何精度和表面质量的前提下加工效率高、制造成本低的纳米结构陶瓷涂层材料的精密磨削技术。

为了达到上述目的，本发明通过大量的实验研究和理论建模及分析，研究磨削参数(包括磨削用量、砂轮特性、材料特性参数及涂层显微结构等)对纳米结构陶瓷涂层精密磨削的可磨削性指标的影响规律；结合磨削后表面/亚表面的SEM等形貌观测，充分揭示纳米结构陶瓷涂层精密磨削的材料去除机理；建立纳米结构陶瓷涂层磨削时材料去除中产生横向裂纹和中位裂纹的临界磨削条件模型；建立反映磨削参数与磨削力、磨削后亚表面损伤深度(中位裂纹深度)定量关系的磨削物理模型。通过这些工作，揭示纳米结构陶瓷涂层精密磨削的磨削机理，构建纳米结构陶瓷涂层材料精密磨削的基础理论。

本发明提供的高效低损伤磨削加工纳米结构陶瓷涂层(n-WC/12Co)材料的磨削工艺如下：

首先采用粗砂轮进行粗磨，磨削用量为a_p＝30～60μm，V_w≥30mm/s，V_s≥30m/s，清磨(a_p＝0)2-4次；然后采用中号砂轮进行半精磨，磨削用量为a_p＝15-20μm，V_w≥30mm/s，V_s≥30m/s，清磨2-4次；最后使用细砂轮精磨，磨削用量为a_p＝1～2μm，V_w≥30mm/s，V_s≥30m/s，清磨2-3次；

所述a_p为砂轮磨削深度，V_w为工件进给速度，V_s为砂轮速度。

所述的粗砂轮为粗磨粒树脂或陶瓷粘结剂金刚石砂轮，如80B或80V砂轮。

所述的中号砂轮为较细磨粒树脂或陶瓷粘结剂砂轮，如600B或600V砂轮。

所述的细砂轮为细磨粒树脂结合剂砂轮，如W5砂轮。

砂轮磨削深度a_p范围，粗磨时使用粗磨粒树脂或陶瓷粘结剂金刚石砂轮(如80B或80V砂轮)，理论上a_p可取到砂轮磨粒直径D的1/3值，但受单颗磨粒磨削力影响，a_p＝30～60μm。半精磨时，使用较细磨粒树脂或陶瓷粘结剂砂轮(如600B或600V砂轮)，a_p＝15-20μm。精磨时，使用细磨粒树脂结合剂砂轮(如W5砂轮)，a_p＝1～2μm。

总磨削余量不同，粗磨、半精磨及精磨的进刀次数有所不同，其原则是在粗磨阶段尽可能多地去除磨削余量，半精磨一般进刀一次，精磨进刀3次左右。粗磨、半精磨及精磨阶段的清磨(a_p＝0)次数一般为2-4次。

工件进给速度V_p一般不小于30mm/s。

砂轮速度V_s尽可能选机床所允许的最大值。由机床最大转速值和砂轮直径定，砂轮速度等于机床最大转速值与砂轮周长的乘积，V_s＝n_sD_sπ，其中，n_s是砂轮转速(转/秒)，D_s砂轮直径(米)。

在选择a_p和V_w这两个参数时，一般取大的V_w，再选择a_p。最终取值可由当量磨削厚度a_e(a_e＝a_pV_w/V_s)的取值范围来定。

精磨时单颗磨粒的法向磨削力应小于产生磨削表面/亚表面损伤的临界载荷值。

单颗磨粒的法向磨削力与当量磨削厚度基本成一元线性回归关系。

f_gn＝f_gnb+C_gn(a_e)

f_gn和f_gnb分别为单颗磨粒法向磨削力和单颗磨粒法向初始切入力(截距)(N)；C_gn为系数(斜率)(N/nm)。f_gnb和C_gn与陶瓷涂层硬度、韧性、弹性模量以及显微结构有关，也与砂轮特性有关。

横向裂纹的产生与材料性能参数、磨削加工条件有关。以下是理论预测模型：

$>>>P>1>*>>=>2>\times >>10>5>>k>>(>>K>c>4>>/>>H>3>>)>>>s>$

其中k为与加工条件相关的修正系数。当砂轮平均单颗磨粒法向磨削力大于产生横向裂纹的临界力时，被加工材料亚表面将产生横向裂纹。

对于n-WC/12Co涂层材料的精密磨削，产生中位/径向裂纹的临界磨削条件模型，即临界载荷P^*的数学表达式如下：

P^*＝885×C_m×(K_c⁴/H³)

式中：C_m为与实际磨削条件有关的参数。

其它技术要点：

1.磨削前，对砂轮进行动、静平衡调试，消除砂轮的不平衡。

2.选用高刚度磨床以避免加工过程中产生颤振。一般说来，要选用较高刚度的磨床(刚度不低于50N/μm更好)。

3.选用高精度磨床以避免因主轴跳动而导致加工损伤。一般说来，选用的磨床主轴跳动不得大于0.1微米。

4.等砂轮达到一定的耐用度值之后，通过整形和修锐来消除工件表面由工件和砂轮产生的相关波纹，避免再生效应。

5.对于不同的硬脆材料而言，磨削加工对其造成的损伤程度也不尽相同。在相同的条件下，材料的脆性越大损伤深度越小；反之，材料脆性越小损伤深度越大，损伤深度与材料的脆性成反比。另一方面，损伤密度与材料的脆性成正比。脆性越大的材料，损伤密度也越大，反之亦然。也就是说，在同样的加工条件下，脆性大的材料会形成大量的、但深度较小的加工损伤，而脆性小的材料则会形成少量的、但深度较大的加工损伤。该发现对于包括纳米结构陶瓷涂层材料在内的硬脆材料的高效率、低损伤加工具有指导意义与现实意义。对于脆性大的工件材料，即使增加磨削用量，亚表面损伤深度的增加有限。然而，对于脆性小的材料，则不能一味地使用大磨削用量，否则会导致严重的亚表面损伤，降低工件的加工质量。如果需要采用大磨削用量以提高加工效率，则必须使用后续加工以便去除前道工序的加工过程所引起的加工损伤。

基于这样的工艺，磨削后，n-WC/12Co涂层试件的表面粗糙度达到0.05μm以下，磨削表面/亚表面无宏观裂纹，而且磨削效率较高，粗磨时可达到单位时间单位砂轮宽度除率为0.9mm³/s.mm。

综上所述，本发明是一种在获得良好的几何精度和表面质量的前提下加工效率高、制造成本低的纳米结构陶瓷涂层材料的精密磨削技术。