[发明专利]硬脆材料磨削脆-延转化临界切削深度确定方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及硬脆材料超精密加工技术领域，具体涉及一种基于多磨粒刀具确定硬脆材料超精密磨削磨削脆-延转化临界切削深度的方法。

背景技术

随着现代工业的发展，硬脆材料(如红外光学晶体、工程陶瓷、石英、硅晶体、微晶玻璃等)已在航空航天、汽车、医疗、精密模具、光学及半导体等领域显示出广阔的应用前景。但由于硬脆材料硬度高、脆性大、加工性能差，难以采用普通加工方法进行超精密加工，从而制约了这些材料的推广应用。磨削是利用高速旋转的砂轮等磨具加工工件表面的切削加工方法，在机械加工中常用于精加工及超精加工阶段。由于磨粒的硬度很高且具有自锐性，磨削可以用于加工各种材料，包括淬硬钢、高强度合金钢、硬质合金、玻璃、陶瓷和大理石等高硬度金属和非金属材料。磨削加工能够获得较高的加工精度和很小的表面粗糙度值，因此是硬脆性材料加工的主要加工方式。

但传统的磨削加工方法具有效率低，周期长，精度不易保证等缺点，并且由于加工过程难以实现计算机控制，加工非球面等复杂工件表面时具有相当高的难度。20世纪80年代末，在对硬脆材料加工方法作了大量探索和尝试的基础上，出现了延性域磨削加工方法。即对材料进行磨削时，当最大磨削厚度小于临界磨削深度时，工件表面就会出现脆性-延性转变，脆性材料和磨粒接触区的应力达到剪切强度极限，产生塑性流动，形成切屑，材料以塑性变形的方式被去除，从而实现脆性材料的塑性域加工，得到低粗糙度的光滑表面的同时能很好地控制加工件的形状和精度。在磨粒切削工件表面时，材料表面开始产生微裂纹的磨粒切入厚度称为临界磨削厚度。一般情况下，脆性材料的临界磨削值仅有几纳米。因此当磨削深度小于临界切深时，硬脆材料的主要去除机制由脆性断裂转变为塑性流动。单颗粒上临界断裂载荷相对应的临界切深a_c可以表示为公式（2-2）。

ac=βEH(KcH)2---(1)]]>

式中，E为被加工材料的弹性模量；H为被加工材料的硬度；K_c为材料的断裂韧性；β为不同材料的系数。从公式（1）中可知，临界磨削深度和被加工材料的弹性模量、断裂韧性的平方成正比，和被加工材料硬度的三次方成反比，不同的脆性材料的脆-延转化临界切深深度是不同的。而且在实际磨削过程中，临界切深a_c还要受到机床特性、磨削液、砂轮磨料成份、砂轮修整、磨削工艺参数等的影响，因此式（1）只能作为定性分析，而无法用于准确定量计算临界切深a_c。临界切深a_c不能准确确定，磨削过程中实际切削深度参数就无法确定，如果实际磨削参数大于临界切深a_c，无法实现延性域磨削，不能获得超精密光滑表面；实际磨削参数远远小临界切深a_c，虽然能够实现延性域磨削，获得超精密光滑表面，但是势必造成加工效率低下，同时过小的磨削深度也会对磨削设备的进给精度、刚度提出很高的要求，设备的高昂价格致使加工成本升高。

本发明提出一种脆性材料超精密磨削脆-延转化临界磨削深度准确确定方法，利用自制的多磨粒金刚石刀具模拟砂轮磨削行为，在硬脆材料磨削机床上进行切深连续变化划削，通过表面轮廓仪、共聚焦显微镜等测量手段对划削形成的划痕进行观察和检测，根据划痕处材料的去除状态和行为，确定能够形成延性材料去除的最大切削深度，并可改变自制多磨粒金刚石刀具的形状、几何形状、间距、高度等参数以获得不同性能指标（粒度、浓度等）砂轮的临界切削深度。克服现有超精密磨削过程中临界切削深度无法准确确定导致的无法实现延性域磨削、加工效率低等问题。

发明内容