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鄭州華晶金剛石股份有限公司

超高速磨削加工難加工材料表面完整性研究

關鍵詞 磨削|2021-10-14 11:56:52|來源 Carbontech
摘要 材料加工損傷嚴重影響加工后零件的性能、壽命和可靠性,一直是機械制造領域必須面對的問題。隨著科學技術的飛速發展,對零件加工表面完整性的要求越來越高。如何實現材料,尤其是難加工材料的高...

材料加工損傷嚴重影響加工后零件的性能、壽命和可靠性,一直是機械制造領域必須面對的問題。隨著科學技術的飛速發展,對零件加工表面完整性的要求越來越高。如何實現材料,尤其是難加工材料的高效低損傷加工是機械制造領域亟需克服的挑戰。

1、硬脆難材料加工的磨削

大型空間光學鏡面、先進陶瓷、硅鍺半導體、藍寶石玻璃、碳化硅、金剛石等一些具有優良性能的硬脆難加工材料在電子、光學、儀器儀表、航空航天和民用等行業的需求量很大,用來制造高技術產品的前景十分廣闊。

通常,硬脆材料具有高強度、耐高溫、耐磨損、耐腐蝕、抗氧化、高溫下蠕變小等獨特的物理和力學性能,可以承受金屬材料和高分子材料難以勝任的嚴酷工作環境;另一方面,硬脆材料的高脆性、高硬度、微裂紋、低塑性等缺點成為它的軟肋,使得其加工比一般材料要困難得多。在傳統的切削、銑削、磨削等制造加工技術中,刀具作用力大,加工工件表面完整性差,亞表面損傷嚴重,很難保證對硬脆材料的高加工精度要求。特別地,盡管近凈成形技術已經取得了積極進展,磨削作為最高效的加工手段,仍然被廣泛應用在脆性材料加工的最后一道工序中。

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但是,由于硬脆材料的特殊屬性,普通磨削過程中大多會產生變質層、表面/亞表面裂紋、殘余應力、表面微破碎、相變區域等多種類型的損傷。

通常,硬脆材料的磨削主要有脆性斷裂、破碎去除、晶界微破碎等脆性去除方式。磨削加工誘發的損傷主要有兩種形式:一種是由徑向裂紋在磨削表面上形成的可見的表面損傷,另一種是由中徑裂紋和側向裂紋在受影響的磨削區下方形成的不可見的亞表面損傷。尤其是在對硬脆材料進行宏觀尺度加工時,若施加的載荷超過了材料的強度極限,工件便傾向于遭受基于解理的斷裂,最終以裂紋的形核和擴展形式失效,導致加工工件出現不可見的損傷。這些損傷將嚴重影響硬脆材料的表面特性和加工質量,使得工件的疲勞/斷裂強度、抗磨損、抗腐蝕等使用性能顯著降低,甚至發生災難性故障。

為了使得磨削后的硬脆工件具有較高的表面質量、較少的亞表面損傷和超高的加工精度,深刻理解硬脆材料的去除機理并評估加工參數對加工質量的重要性是很有必要的。因此,深入研究和揭示硬脆材料的磨削加工機理,研究先進的加工工藝,預測和控制硬脆材料在磨削過程中引入的磨削損傷,以提高加工效率、降低成本、改善表面質量、大幅度提高加工零件的可靠性,已成為硬脆難加工材料推廣應用中亟待解決的難題之一。

2、超高速磨削技術

高速超高速磨削是磨削技術的飛躍,它突破了傳統磨削概念,具有生產效率高、砂輪使用壽命長、磨削表面精度和質量好、磨削力和工件受力變形小、磨削區溫度較低等特點,可集粗、精加工于一體,而且易于實現硬脆材料的延性域磨削,在帶來巨大的經濟效應、社會效應和廣闊的綠色特性的同時,也帶來了諸多新機理研究和對傳統磨削機理的突破性挑戰。

磨削加工在機械制造業中應用非常廣泛,在汽車、航空航天等領域的應用尤其重要,根據其工藝不同可以分為多種形式。為適應現代工業技術和高性能科技產品對機械零件加工精度、表面粗糙度與完整性、加工效率和批量化質量穩定性的要求,近年,磨削技術正朝高速、高效、精密、智能等方向發展。

3、超高速加工機理的研究

實現超高速加工并不困難,然而有關超高速加工機理的研究卻陷入“瓶頸”,未取得重大突破。傳統加工基于改良思想,采用盲人摸象手法,往往究其一點,不及其余,所解決的是局部問題。

張璧教授基于原始創新思想,采用綱舉目張手法,在“材料脆化”和“損傷趨膚”兩大理論的指導下,探究材料的物理力學本質,發現共性規律,研究開發超高速磨削裝備與工藝,解決難加工材料的加工問題。因此,采用超高速加工誘發加工區材料脆化,改變材料的加工性能,抑制加工損傷,成為高效率、高質量加工的重要技術途徑。在超高速加工條件下,加工損傷深度可以降低兩個數量級。

高速加工中材料亞表面損傷的“趨膚效應”

張璧教授發現,超高速加工中,材料加工亞表面損傷深度隨著加工應變率的提高而降低,表現出加工損傷“趨膚效應”。超高速加工能夠提高加工區材料的應變率,降低加工損傷深度,提高加工表面完整性,同時極大地提高材料加工效率。因此深入研究超高速加工理論和技術,對我國由制造業大國向制造業強國轉變具有重要的戰略意義。

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高應變率下的材料脆化機理

難加工材料如硬脆材料、鈦合金及各種復合材料,廣泛應用于飛機制造、空間探測、軌道交通、生物醫療、半導體和汽車等行業。如何實現難加工材料的高效低損傷加工一直是制造業研究的重點。張璧教授提出,通過提高加工過程中材料應變率,實現加工過程中的“材料脆化”,進而降低亞表面損傷深度,實現“損傷趨膚”。超高速加工提高材料加工應變率,可以大幅提高加工效率,同時減少加工損傷。相關研究對我國實現由制造業大國向制造業強國轉變具有重要的戰略意義。

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4、特邀嘉賓

基于此,2021年11月18-20日,由DT新材料&中國超硬材料網聯合主辦的第六屆國際碳材料大會暨產業展覽會——金剛石論壇將在上??鐕少彆怪行睦_帷幕。特邀南方科技大學工學院副院長張璧教授,分享主旨報告《超高速磨削加工難加工材料表面完整性研究》,將針對鈦合金(Ti6Al4V)和鋁基碳化硅(AlSiC)兩種截然不同的典型難加工材料,基于“材料脆化”與“損傷趨膚”理論,研究其在 30 m/s-300 m/s 速度區間內磨削加工的材料變形行為,包括表面形貌和表面粗糙度等表面變形特征,以及塑性變形、晶粒細化和晶型轉變等亞表面變形特征。結合 EBSD、TEM 和 FIB 等多種材料表征手段,考察加工速度對難加工材料表面完整性的影響規律,揭示塑性難加工材料在高應變率條件下的塑脆轉變機制,明確材料的可加工性(Grindability)與加工速度之間的關聯關系。

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張璧教授,南方科技大學講席教授、工學院副院長,長期致力于高速精密加工研究,研究內容涉及理論分析、多尺度建模仿真、加工工藝、過程監控和材料表征等,使用超高速加工設備、高應變率霍普金森拉伸和壓縮設備、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡等技術以及有限元方法和分子動力學等多尺度模擬仿真手段,探索材料加工中表面完整性的演化規律,為企業提供高效優質加工方案。

1988年獲得東京工業大學博士學位之后,赴美國俄克拉荷馬州立大學做博士后研究。1992年起,受聘為美國康涅狄格大學助理教授、副教授與終身教授,同時兼任康涅狄格大學精密機床中心主任、管理與工程制造學科主任、機械工程系本科教學主任,以及大連理工大學“精密與特種加工”團隊負責人、湖南大學科技部“國家高效磨削工程技術研究中心”總工程師。張璧是教育部特聘教授、廣東省杰出人才、國際生產工程科學院會士(CIRP Fellow)、美國機械工程師協會會士(ASME Fellow)。

 

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