[发明专利]利用弹性覆层喷丸提高工程陶瓷磨削断裂强度的方法

说明书

技术领域

本发明属于陶瓷加工领域，特别涉及一种改善工程陶瓷材料磨削加工后断裂强度的方法。

背景技术

工程陶瓷由于离子键与共价键的特殊键性，是一种具有高硬度高脆性的难加工材料。在加工过程中，极易形成微裂纹、表面凹凸不平、残余应力等影响工件性能和表面完好性的表层/亚表层损伤，从而降低陶瓷工件断裂强度的稳定性和可靠性。使用金刚石砂轮磨削是目前最常见的工程陶瓷平面和外圆柱面加工手段，该方法加工成本高达陶瓷工件成本的80%以上，其中因加工表面损伤导致的平均断裂强度低、残品率高是成本居高不下的重要原因，使工程陶瓷的广泛应用受到限制。

表面残余应力和粗糙度是评价工程陶瓷材料加工质量的重要指标，也是影响工件断裂强度和使用可靠性的主要因素。由于金刚石磨粒与陶瓷加工表面的机械应力和热应力作用，陶瓷表面材料出现弹塑性变化，磨削后表面塑性变质层内通常存在残余拉应力，使工件在承受外界拉伸载荷时容易发生失效破坏，降低陶瓷产品的实际断裂强度。磨削是通过磨粒切削刃与材料的相互划擦和切削作用，从而实现陶瓷材料去除的。磨粒在砂轮工作表面上呈现分布不均匀和高度不一致的状况，造成表面轮廓存在锋利的凸峰和深槽，导致了非均匀的应力分布和应力集中行为，使工件在较低外力或残余应力作用下发生裂纹扩展，从而破坏陶瓷工件的强度特性。迄今为止，消除工程陶瓷磨削表面残余拉应力和降低粗糙度的有效方法主要有化学机械抛光法或表面退火热处理法。化学机械抛光法运用尺寸规格极小的磨粒与工件间的随机接触、机械摩擦或化学反应，以非脆性断裂的方式和微小的材料去除量，获得粗糙度远低于磨削加工的光滑表面，多次重复加工还可去除部分表面塑性变质层，减少材料表面单位体积内裂纹数量、释放磨削加工产生的残余应力。工程陶瓷通常在高温条件下烧结而成，多数情况下由于冷却速度过快产生内部热残余应力，造成断裂强度及其他性能退化。对陶瓷工件在低于烧结温度下长时间退火，然后缓慢冷却至室温，能够消除陶瓷工件制备阶段产生的这种应力。此外，通过退火处理可减小工件磨削加工表层残余拉应力，往往还能触发表面/亚表面裂纹的高温自愈合机制，使制约陶瓷强度性能的各种缺陷得以钝化。然而，化学机械抛光属于表面精密加工方法，材料去除率低、加工耗时长；表面退火方法需要特殊的热处理装置，工件加热、处理、冷却周期较长。上述两种方法均增加了陶瓷工件的加工费用。因此需要发展一种既能改善工程陶瓷磨削强度和制品质量，又可控制加工时间及成本的新技术。

气动式喷丸机由弹丸加速/抛出机构、弹丸提升机构、排尘机构、零件运转机构和其他辅助机构组成。弹丸经过压缩空气驱动而形成高速运动的弹丸流连续向零件表面喷射，这种喷射作用如同无数小锤在零件表面进行撞击，使喷丸后零件表面产生较高的残余应力和密度极高的位错，从而强化零件的表层硬度、疲劳强度和抗应力腐蚀等性能。气动式喷丸机主要用于承受交变载荷的金属材料的机械零件，尤其是飞机、发动机、汽轮机及其附件上的重要金属材料承力件。使用直径为0.4~3mm的铸铁丸、铸钢丸或不锈钢丸对金属零件表面进行连续喷丸冲击，喷丸后金属零件在弯曲/扭转疲劳破坏中强度提高，应力腐蚀开裂现象得到改善。但弹丸直接喷射不适合用在对高硬度高脆性的难加工材料，例如对陶瓷零件的加工，在其表面会在边缘产生连续块状碎裂和宏观裂纹，严重损伤工件的强度性能，降低陶瓷零件磨削加工质量。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种利用弹性覆层喷丸提高工程陶瓷磨削断裂强度的方法，可在工程陶瓷磨削加工后，提高工件断裂强度、降低表面粗糙度和残余拉应力水平，且具有高效率、低成本的特点。

本发明提出的利用弹性覆层喷丸提高工程陶瓷磨削断裂强度的方法，是通过如下方式实现的：将丁基合成橡胶裁切为可完全覆盖陶瓷工件表面、具有均一厚度的弹性覆层片。利用夹具将覆层橡胶片固定于陶瓷工件磨削表面。将夹具安放于气动式喷丸机的喷丸室内，采用钢质弹丸对覆盖橡胶垫的工件进行表面喷丸处理。喷丸过程中，喷丸机喷嘴与夹具相对移动速度为300~500mm/min，使带有弹性覆层的工件表面均匀受到弹丸冲击作用。

本发明的工作原理及有益效果：