專利名稱：利用彈性覆層噴丸提高工程陶瓷磨削斷裂強度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于陶瓷加工領(lǐng)域，特別涉及一種改善工程陶瓷材料磨削加工后斷裂強度的方法。
背景技術(shù)：
工程陶瓷由于離子鍵與共價鍵的特殊鍵性，是一種具有高硬度高脆性的難加工材料。在加工過程中，極易形成微裂紋、表面凹凸不平、殘余應(yīng)力等影響工件性能和表面完好性的表層/亞表層損傷，從而降低陶瓷工件斷裂強度的穩(wěn)定性和可靠性。使用金剛石砂輪磨削是目前最常見的工程陶瓷平面和外圓柱面加工手段，該方法加工成本高達(dá)陶瓷工件成本的80%以上，其中因加工表面損傷導(dǎo)致的平均斷裂強度低、殘品率高是成本居高不下的重要原因，使工程陶瓷的廣泛應(yīng)用受到限制。表面殘余應(yīng)力和粗糙度是評價工程陶瓷材料加工質(zhì)量的重要指標(biāo)，也是影響工件 斷裂強度和使用可靠性的主要因素。由于金剛石磨粒與陶瓷加工表面的機械應(yīng)力和熱應(yīng)力作用，陶瓷表面材料出現(xiàn)彈塑性變化，磨削后表面塑性變質(zhì)層內(nèi)通常存在殘余拉應(yīng)力，使工件在承受外界拉伸載荷時容易發(fā)生失效破壞，降低陶瓷產(chǎn)品的實際斷裂強度。磨削是通過磨粒切削刃與材料的相互劃擦和切削作用，從而實現(xiàn)陶瓷材料去除的。磨粒在砂輪工作表面上呈現(xiàn)分布不均勻和高度不一致的狀況，造成表面輪廓存在鋒利的凸峰和深槽，導(dǎo)致了非均勻的應(yīng)力分布和應(yīng)力集中行為，使工件在較低外力或殘余應(yīng)力作用下發(fā)生裂紋擴展，從而破壞陶瓷工件的強度特性。迄今為止，消除工程陶瓷磨削表面殘余拉應(yīng)力和降低粗糙度的有效方法主要有化學(xué)機械拋光法或表面退火熱處理法?；瘜W(xué)機械拋光法運用尺寸規(guī)格極小的磨粒與工件間的隨機接觸、機械摩擦或化學(xué)反應(yīng)，以非脆性斷裂的方式和微小的材料去除量，獲得粗糙度遠(yuǎn)低于磨削加工的光滑表面，多次重復(fù)加工還可去除部分表面塑性變質(zhì)層，減少材料表面單位體積內(nèi)裂紋數(shù)量、釋放磨削加工產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。工程陶瓷通常在高溫條件下燒結(jié)而成，多數(shù)情況下由于冷卻速度過快產(chǎn)生內(nèi)部熱殘余應(yīng)力，造成斷裂強度及其他性能退化。對陶瓷工件在低于燒結(jié)溫度下長時間退火，然后緩慢冷卻至室溫，能夠消除陶瓷工件制備階段產(chǎn)生的這種應(yīng)力。此外，通過退火處理可減小工件磨削加工表層殘余拉應(yīng)力，往往還能觸發(fā)表面/亞表面裂紋的高溫自愈合機制，使制約陶瓷強度性能的各種缺陷得以鈍化。然而，化學(xué)機械拋光屬于表面精密加工方法，材料去除率低、加工耗時長；表面退火方法需要特殊的熱處理裝置，工件加熱、處理、冷卻周期較長。上述兩種方法均增加了陶瓷工件的加工費用。因此需要發(fā)展一種既能改善工程陶瓷磨削強度和制品質(zhì)量，又可控制加工時間及成本的新技術(shù)。氣動式噴丸機由彈丸加速/拋出機構(gòu)、彈丸提升機構(gòu)、排塵機構(gòu)、零件運轉(zhuǎn)機構(gòu)和其他輔助機構(gòu)組成。彈丸經(jīng)過壓縮空氣驅(qū)動而形成高速運動的彈丸流連續(xù)向零件表面噴射，這種噴射作用如同無數(shù)小錘在零件表面進(jìn)行撞擊，使噴丸后零件表面產(chǎn)生較高的殘余應(yīng)力和密度極高的位錯，從而強化零件的表層硬度、疲勞強度和抗應(yīng)力腐蝕等性能。氣動式噴丸機主要用于承受交變載荷的金屬材料的機械零件，尤其是飛機、發(fā)動機、汽輪機及其附件上的重要金屬材料承力件。使用直徑為O. 4^3mm的鑄鐵丸、鑄鋼丸或不銹鋼丸對金屬零件表面進(jìn)行連續(xù)噴丸沖擊，噴丸后金屬零件在彎曲/扭轉(zhuǎn)疲勞破壞中強度提高，應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象得到改善。但彈丸直接噴射不適合用在對高硬度高脆性的難加工材料，例如對陶瓷零件的加工，在其表面會在邊緣產(chǎn)生連續(xù)塊狀碎裂和宏觀裂紋，嚴(yán)重?fù)p傷工件的強度性能，降低陶瓷零件磨削加工質(zhì)量
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服已有技術(shù)的不足之處，提出一種利用彈性覆層噴丸提高工程陶瓷磨削斷裂強度的方法，可在工程陶瓷磨削加工后，提高工件斷裂強度、降低表面粗糙度和殘余拉應(yīng)力水平，且具有高效率、低成本的特點。本發(fā)明提出的利用彈性覆層噴丸提高工程陶瓷磨削斷裂強度的方法，是通過如下方式實現(xiàn)的將丁基合成橡膠裁切為可完全覆蓋陶瓷工件表面、具有均一厚度的彈性覆層片。利用夾具將覆層橡膠片固定于陶瓷工件磨削表面。將夾具安放于氣動式噴丸機的噴丸室內(nèi)，采用鋼質(zhì)彈丸對覆蓋橡膠墊的工件進(jìn)行表面噴丸處理。噴丸過程中，噴丸機噴嘴與夾具相對移動速度為30(T500mm/min，使帶有彈性覆層的工件表面均勻受到彈丸沖擊作用。本發(fā)明的工作原理及有益效果I、通過在陶瓷工件磨削表面施加彈性覆層，避免鋼質(zhì)彈丸直接沖擊破壞已加工表面，在材料表面形成裂紋和碎裂等宏觀損傷。噴丸中，受到大量彈丸的沖擊力和彈性覆層的減壓作用，磨削過程導(dǎo)致的加工表面凸峰因擠壓、碎化而逐漸去除，降低陶瓷工件磨削表面與微觀不平度高度特性有關(guān)的粗糙度參數(shù)，測量結(jié)果表明經(jīng)本發(fā)明方法的噴丸處理后陶瓷表面輪廓最大高度Ry為2 4 μ m,比未噴丸處理的磨削表面粗糙度減少約22. 26% ；2、噴丸機提供給彈丸的初始動能，通過與丁基橡膠覆層的彈性接觸、碰撞和擠壓等能量吸收過程，轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力施加在陶瓷工件表面，抵消部分殘留在表面塑性變形層內(nèi)的磨削熱致拉應(yīng)力，形成殘余壓應(yīng)力或較低的殘余拉應(yīng)力的合力狀態(tài)，X射線應(yīng)力測試儀測得噴丸后殘余應(yīng)力為_100MPa 30MPa。3、陶瓷工件磨削后斷裂強度提高幅度達(dá)16%，以簡單的設(shè)備與低廉的成本實現(xiàn)了陶瓷磨削加工質(zhì)量的改善，進(jìn)一步推動了工程陶瓷的實際應(yīng)用。


圖I為本發(fā)明固定彈性覆層與陶瓷工件的專用夾具。
具體實施例方式本發(fā)明提出的利用彈性覆層噴丸提高工程陶瓷磨削斷裂強度的方法結(jié)合附圖及實施例進(jìn)一步說明如下本發(fā)明提出的一種利用彈性覆層噴丸提高工程陶瓷磨削斷裂強度的方法，其特征在于包括以下步驟I)將丁基復(fù)合橡膠層緊密貼合在磨削加工后的陶瓷表面，并完全覆蓋陶瓷工件表面，丁基復(fù)合橡膠覆層的厚度為f2mm ；
2)用夾具將陶瓷工件和彈性覆層緊固；3)以30(T500mm/min的速度移動帶有彈性覆層的陶瓷工件與夾具，調(diào)整氣動式噴丸機噴嘴與陶瓷工件待噴丸表面間距至10(T400mm，使彈丸覆蓋面積為105 1673cm2，(該面積范圍通過調(diào)整氣動式噴丸機噴嘴與陶瓷工件待噴丸表面間距的大小得到，可用于加工不同尺寸的工作，使彈丸覆蓋面積與待加工的陶瓷工件表面積相當(dāng)即可)空氣噴射壓力調(diào)整為O. 4^0. 6MPa，噴射時間設(shè)定為l(T20s，用氣動式噴丸機噴射直徑為O. 8^1mm的彈丸沖擊作用在工件表面，以降低表面殘余應(yīng)力，改善陶瓷磨削加工強度及表面質(zhì)量。所述的磨削加工包括平面磨削和外圓磨削，陶瓷工件包括規(guī)則外形工件和不規(guī)則外形工件。所述的陶瓷工件材料包括氮化硅或氧化鋁或氧化鋯或碳化硅或莫來石。所述的專用夾具采用45號鋼制成。所述的球形彈丸材質(zhì)為普通45鋼丸，鋼丸公稱直徑約O. 8 1_。實施例I本實施例方法包括以下步驟I)將丁基復(fù)合橡膠層緊密貼合在磨削加工后的氮化硅陶瓷表面，并完全覆蓋陶瓷工件表面；本實施例的待噴丸陶瓷工件尺寸為50mmX 8mmX 5mm，彈性覆層采用丁基復(fù)合橡膠的門尼黏度為ML (1+4) IOO0C 46 56，不飽和度為I. 6% 2. 0%，拉伸強度為20MPa，先將橡膠塊裁切成略大于待加工陶瓷工件表面尺寸、厚度為O. 5mm的均勻薄片，覆蓋在陶瓷工件表面上；2)用夾具將陶瓷工件和彈性覆層緊固；圖I為本實施例用于固定彈性覆層與陶瓷工件的專用夾具結(jié)構(gòu)，該夾具包括矩形平板11，螺桿12，下底板13和螺母14四部分，均采用45號鋼制成。矩形平板11和螺桿12上端通過焊接組成結(jié)構(gòu)尺寸相同的左右夾臂，對丁基復(fù)合橡膠覆層和工件起主要夾持作用，螺桿12下端與下底板13上的兩個橢圓通孔形成間隙配合，在螺母14緊固下形成左右夾臂、彈性覆層、工件、下底板四者間的緊密結(jié)合。下底板13上的橢圓通孔可用于調(diào)節(jié)左右夾臂的間距，使陶瓷工件被牢固夾持在左右夾臂之間。3)使氣動式噴丸機噴射彈丸沖擊作用在工件表面，以降低表面殘余應(yīng)力，改善陶瓷磨削加工強度及表面質(zhì)量。本實施例在噴丸處理時的主要技術(shù)參數(shù)為使用公稱直徑為O. 9mm的45鋼彈丸對氮化硅陶瓷磨削表面進(jìn)行噴丸處理，氣動式噴丸機噴嘴與工件待噴丸表面固定距離為250mm，彈丸覆蓋面積調(diào)整到能覆蓋工件表面；設(shè)定噴丸氣壓、噴丸時間、丁基復(fù)合橡膠覆層厚度和工件移動速度分別為O. 4MPa、20s、2mm和500mm/min。本實施例的主要原理是使用附圖I中的左夾臂11、右夾臂12和下底板13，將丁基復(fù)合橡膠覆層嚴(yán)密固定于陶瓷工件磨削表面。氣動式噴丸機為鋼質(zhì)彈丸提供的噴射氣壓，作用于陶瓷磨削表面覆蓋的彈性覆層上，經(jīng)過覆層的降壓緩沖和隔離保護，最后以壓應(yīng)力施加在陶瓷加工表面，使沖擊區(qū)域內(nèi)表面輪廓凸峰受到撞擊、擠壓而碎裂和平坦化，輪廓峰頂線和谷底線之間的距離減小，從而降低粗糙度高度參數(shù)。同時，鋼質(zhì)彈丸通過彈性覆層提供的沖擊和擠壓應(yīng)力施加在磨削塑性變形層上，與工件磨削表層殘余拉應(yīng)力線性疊加形·成殘余壓應(yīng)力，達(dá)到提高陶瓷材料斷裂強度、改善磨削加工質(zhì)量的目的。
本實施例中，氮化硅表面噴丸后測量工件斷裂強度比噴丸前提高10. 3%。實施例2采用與實施例I相同的工具及步驟，不同之處在于改變噴丸處理時的主要技術(shù)參數(shù)即使用公稱直徑為O. 9mm的45鋼彈丸對碳化硅陶瓷磨削表面進(jìn)行噴丸處理，氣動式噴丸機噴嘴與工件待噴丸表面固定距離為250mm，設(shè)定噴丸氣壓、噴丸時間、丁基復(fù)合橡膠覆層厚度和工件移動速度分別為O. 6MPa、10s、lmm和300mm/min。
本實施例中，碳化硅表面噴丸后測量工件斷裂強度比噴丸前提高15. 6%。
權(quán)利要求
1.一種利用彈性覆層噴丸提高工程陶瓷磨削斷裂強度的方法，其特征在于包括以下步驟1)將丁基復(fù)合橡膠層緊密貼合在磨削加工后的陶瓷表面，并完全覆蓋陶瓷工件表面，丁基橡膠覆層的厚度為廣2_;2)用夾具將陶瓷工件和彈性覆層緊固；3)以30(T500mm/min的速度移動帶有彈性覆層的陶瓷工件與夾具，調(diào)整氣動式噴丸機噴嘴與陶瓷工件待噴丸表面間距至10(T400mm，使彈丸覆蓋面積為105 1673cm2，空氣噴射壓力調(diào)整為O. 4^0. 6MPa，噴射時間設(shè)定為l(T20s，使氣動式噴丸機噴射直徑為O. 8^1mm的彈丸沖擊作用在工件表面，以降低表面殘余應(yīng)力，改善陶瓷磨削加工強度及表面質(zhì)量。
2.如權(quán)利要求I所述方法，其特征在于所述的磨削加工包括平面磨削和外圓磨削，陶瓷工件包括規(guī)則外形工件和不規(guī)則外形工件。
3.如權(quán)利要求I所述方法，其特征在于所述的陶瓷工件材料包括氮化硅或氧化鋁或氧化鋯或碳化硅或莫來石。
4.如權(quán)利要求I
5.如權(quán)利要求I稱直徑約O. 8 1mm。所述方法，其特征在于:所述方法，其特征在于所述的專用夾具采用45號鋼制成。:所述的球形彈丸材質(zhì)為普通45鋼丸，鋼丸公
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用彈性覆層噴丸處理提高工程陶瓷磨削后斷裂強度的技術(shù)及其裝置。該技術(shù)包括將彈性橡膠材料覆蓋于磨削加工后的工程陶瓷表面，利用專用夾具對覆層和陶瓷進(jìn)行緊密固定；采用壓縮空氣提供動力的鋼質(zhì)彈丸噴射沖擊覆層表面，同時以恒定速度移動工件和夾具，使陶瓷工件表面受到彈丸的均勻沖擊作用。本發(fā)明使陶瓷磨削表面輪廓凸峰在彈丸撞擊和擠壓作用下碎裂和平坦化，降低輪廓最大高度參數(shù)，彈丸的沖擊在磨削塑性變形區(qū)內(nèi)形成殘余壓應(yīng)力，從而改善陶瓷表面殘余應(yīng)力狀態(tài)及斷裂強度。本發(fā)明工藝簡單、對設(shè)備要求低、加工耗時短、專用夾具與加工成本低廉，進(jìn)一步推動工程陶瓷的工程實際應(yīng)用。
文檔編號B24C1/00GK102922430SQ20121046512
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月18日
發(fā)明者田欣利, 王健全, 張保國, 唐修檢, 李富強, 王鵬曉, 余霞 申請人:田欣利, 王健全