一種硬脆陶瓷材料臨界切削深度的檢測方法
2023-06-18 17:43:21 3
專利名稱：一種硬脆陶瓷材料臨界切削深度的檢測方法
技術領域：
本發明涉及硬脆陶瓷材料的塑性域加工工藝領域，尤其是一種硬脆陶瓷材料臨界切削深度的檢測方法。
背景技術：
硬脆陶瓷材料塑性域加工，工件加工後表面質量好，表面與亞表面損傷層小。但其完全塑性域加工，要求所有磨粒的切削深度都在臨界切削深度以下。因此，硬脆陶瓷材料臨界切削深度是其實現塑性域加工的關鍵指標。根據文獻檢索，以往對硬脆陶瓷材料臨界切削深度是根據壓痕斷裂力學進行研究的，即以一定的垂直力將金剛石壓頭壓入材料內部一定的深度，觀察材料的變形情況，以分析先進陶瓷材料在載荷作用下的斷裂機理。在壓痕實驗的加載到卸除一個完整的循環中，破壞裂紋由產生到擴展的過程如圖1所示。從圖1中可以看出，即使是脆性材料，在很小載荷的作用下仍然會產生一定的塑性變形。當載荷增加時，材料將由塑性變形方式向脆性破壞發生轉變，在材料的內部和表面上產生脆性裂紋。在這個轉變過程中，當裂紋剛好產生時所施加的垂直載荷稱為臨界載荷，如圖1(c)狀態時，此時壓頭壓入的深度稱為臨界壓入深度。當磨粒對材料的作用力限制在圖1(c)所示的狀態以下，即可實現表面無裂紋的塑性域加工。如將磨粒對材料的作用力限制在圖1(a)所示的狀態以下，即磨粒切削深度在臨界切削深度以下，則可實現亞表面無裂紋的完全塑性域加工，表面只有一層極薄的非晶層。到目前為止，很多學者針對各種硬脆陶瓷材料做了大量的微納米劃痕實驗，當壓頭的切削深度由淺逐漸變深時，都能出現脆性-塑性轉變，由於所用的實驗條件不同，所得到的臨界切削深度也不盡相同。加工載荷、壓頭尖端形狀等因素與臨界切削深度直接相關，而實際磨粒形狀與壓頭形狀差別較大，且磨粒對工件的切削狀況與壓頭的微納米劃痕試驗情況區別較大，因此微納米劃痕試驗並不能準確地反映材料的臨界切削深度。目前實際加工條件下臨界切削深度還需要進一步研究。
發明內容
為了克服已有硬脆陶瓷材料臨界切削深度的檢測技術的檢測精度較差、可靠性較差的不足，本發明提供一種檢測精度高、可靠性良好的硬脆陶瓷材料臨界切削深度的檢測方法。本發明解決其技術問題所採用的技術方案是一種硬脆陶瓷材料臨界切削深度的檢測方法，所述檢測方法包括以下步驟1)工件微小斜坡的構建首先在基盤上粘貼一薄墊片，並選用拋光後表面超光滑無劃痕硬脆陶瓷材料切片作為工件切片，將所述工件切片架到該薄墊片上粘貼，所述工件切片形成一微小斜坡；2)磨粒切痕加工實驗研磨盤的粒度號，加工載荷、加工轉速及加工液都與實驗加工情況相同，加工時磨粒在工件切片的表面形成由淺至深的微切痕；3)磨粒切痕的跟蹤觀測分析採用白光幹涉儀來跟蹤觀測加工過渡區內磨粒切痕，尋找塑脆性轉變特徵明顯的磨粒切痕，找到首先出現破碎狀裂紋處，對此破碎狀裂紋處進行二維輪廓分析，所述破碎狀裂紋的切痕深度定義為該硬脆陶瓷材料的臨界切削深度。進一步，所述步驟1)中，所述微小斜坡的角度為0.3° 1.2°。再進一步，所述步驟1)中，將墊片擺放位置與研磨盤加工時旋轉方向匹配，以保證磨粒從淺至深形成微切痕。本發明的有益效果主要表現在(1)加工情況一致。臨界切削深度與加工條件緊密相關，本發明的檢測過程與實際加工條件相一致；( 果準確度高。檢測結果採用白光幹涉儀Wyko NT9800來跟蹤觀測磨粒切痕。NT9800解析度高，檢測精度極高，分析結果準確。
圖1是本發明中尖銳壓頭下材料裂紋發展過程的示意圖，其中(a)表示壓頭在接觸區產生非彈性變形區，(b)表示變形流動將發展成為中位裂紋；(c)表示載荷進一步加大使裂紋成比例擴展；(d)表示載荷減小時，中位裂紋開始閉合；(e)表示載荷繼續減小，應力失配導致產生橫向裂紋；(f)表示卸載後，橫向裂紋繼續擴展形成切屑脫離工件；圖2是本發明中微小斜坡磨粒切痕實驗原理圖。圖3是本發明中磨粒的切削刃圓半徑的示意圖。圖4是本發明中微小斜坡切痕塑脆性變化過程示意圖。圖5是圖4的A-A剖視圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步描述。參照圖2 圖5，一種硬脆陶瓷材料臨界切削深度的檢測方法，該方法採用了與實際加工條件一致的微小斜坡加工實驗，並通過白光幹涉儀來跟蹤觀察工件表面微切痕，研究硬脆陶瓷材料在磨粒加工過程中脆性-塑性轉變的過程和特徵，分析磨粒切削刃尺寸、加工參數等對其臨界切削深度的影響，並且得到該硬脆陶瓷材料的臨界切削深度。所述檢測方法包含以下步驟1)工件微小斜坡的構建首先在基盤1上粘貼一薄墊片2，粘結劑採用石蠟。並選用拋光後表面超光滑無劃痕硬脆陶瓷材料切片3，將工件切片3架到該薄墊片2上粘貼，如圖2所示。這樣使工件切片形成一微小斜坡，加工時磨粒可在工件表面形成由淺至深的微切痕，如圖5所示。為了使磨粒形成的切痕深度變化緩慢，需控制微小斜坡的角度，可對粘上的墊片進行研磨以控制墊片厚度，本發明中都將墊片的厚度加工至100 μ m，微小斜坡的角度約為0. 6°。同時還應將墊片擺放位置與加工時研磨盤旋轉方向匹配，以保證磨粒從淺至深形成微切痕。2)磨粒切痕加工實驗微小斜坡磨粒切痕的實驗平臺採用與實際研磨加工同一實驗平臺，以保證和實際加工的一致性。同時研磨盤的粒度號，加工載荷、加工轉速及加工液都與實驗加工情況相同，加工10分鐘。3)磨粒切痕的跟蹤觀測分析採用白光幹涉儀Wyko NT9800來跟蹤觀測加工過渡區內磨粒切痕，尋找塑脆性轉變特徵明顯的磨粒切痕。並找到首先出現破碎狀裂紋處，將此定義為材料的脆性-塑性臨界點，並對此處進行二維輪廓分析，將此切痕深度定義為該硬脆陶瓷材料的臨界切削深度。實例1 單晶矽臨界切削深度不僅與其本身材料特性有關，還有其它眾多影響因素。其中不同寬度切痕的塑脆性轉變切削深度是不同的，一般寬的切痕易產生脆性斷裂，窄的切痕容易塑性切削，通常認為切痕寬窄是由磨粒粒度大小決定。然而在加工區的檢測中會發現，有的寬切痕在切削深度較深時工件仍是塑性切削，有的窄切痕在切削深度較淺時就出現脆性斷裂現象，因此需綜合考慮了切痕的寬度和深度。由於工件切痕形狀如圓刃切削形成，而磨粒尖端圓刃的刃圓半徑綜合考慮了切痕的寬度和深度兩方面因素，如圖3所示，因此磨粒的刃圓半徑可能是影響單晶矽臨界切削深度的重要因素。本例採用1500#的磨具進行實驗。在過渡區中有眾多磨粒的切痕，由於這些磨粒的粒徑大小、切削方向及切削狀態等不同，使得工件上的切痕塑脆性轉變特徵並不十分明顯。因此，需從這些切痕中找出塑脆性轉變特徵明顯的切痕，從這些特徵明顯的切痕中可發現其存在著三個明顯的階段，如圖4所示。由第一階段切痕較淺時，切痕邊緣光滑，工件處於完全塑性切削狀態。第二階段切痕邊緣出現斷續破裂狀，有時單邊還出現隆起狀態，此時工件處於塑脆性轉變，在塑脆性轉變階段的切痕長度較長，大多穿過過渡區。第三階段工件切痕邊緣完全破碎，此時工件處於脆性去除狀態。為測量臨界切削深度，在切痕塑脆性轉變分界處作二維剖面分析，將切痕在此處的深度值作為臨界切削深度。為計算產生這一切痕磨粒的刃圓半徑，假定這些切痕是未變形切痕，則磨粒的刃圓半徑如圖3計算。其中，r為磨粒刃圓半徑，2b為切痕溝槽的寬度，t為溝槽的深度。(r-t)2+b2 = r2(4-1)
權利要求
1.一種硬脆陶瓷材料臨界切削深度的檢測方法，其特徵在於所述檢測方法包括以下步驟1)工件微小斜坡的構建首先在基盤上粘貼一薄墊片，並選用拋光後表面超光滑無劃痕硬脆陶瓷材料切片作為工件切片，將所述工件切片架到該薄墊片上粘貼，所述工件切片形成一微小斜坡；2)磨粒切痕加工實驗研磨盤的粒度號，加工載荷、加工轉速及加工液都與實驗加工情況相同，加工時磨粒在工件切片的表面形成由淺至深的微切痕；3)磨粒切痕的跟蹤觀測分析採用白光幹涉儀來跟蹤觀測加工過渡區內磨粒切痕，尋找塑脆性轉變特徵明顯的磨粒切痕，找到首先出現破碎狀裂紋處，對此破碎狀裂紋處進行二維輪廓分析，所述破碎狀裂紋的切痕深度定義為該硬脆陶瓷材料的臨界切削深度。
2.如權利要求1所述的一種硬脆陶瓷材料臨界切削深度的檢測方法，其特徵在於所述步驟1)中，所述微小斜坡的角度為0.3° 1.2°。
3.如權利要求1或2所述的一種硬脆陶瓷材料臨界切削深度的檢測方法，其特徵在於所述步驟1)中，將墊片擺放位置與研磨盤加工時旋轉方向匹配，以保證磨粒從淺至深形成微切痕。
全文摘要
一種硬脆陶瓷材料臨界切削深度的檢測方法，包括以下步驟1)首先在基盤上粘貼一薄墊片，並選用拋光後表面超光滑無劃痕硬脆陶瓷材料切片作為工件切片，將所述工件切片架到該薄墊片上粘貼，所述工件切片形成一微小斜坡；2)研磨盤的粒度號，加工載荷、加工轉速及加工液都與實驗加工情況相同，加工時磨粒在工件切片的表面形成由淺至深的微切痕；3)採用白光幹涉儀來跟蹤觀測加工過渡區內磨粒切痕，尋找塑脆性轉變特徵明顯的磨粒切痕，找到首先出現破碎狀裂紋處，對此破碎狀裂紋處進行二維輪廓分析，所述破碎狀裂紋的切痕深度定義為該硬脆陶瓷材料的臨界切削深度。本發明檢測精度高、可靠性良好。
文檔編號G01B11/22GK102564336SQ201210029878
公開日2012年7月11日 申請日期2012年2月10日 優先權日2012年2月10日
發明者呂迅, 李志鑫, 袁巨龍 申請人:浙江工業大學