工程陶瓷材料新型光整加工技术的研究
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分
析
报
告
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景德镇陶瓷学院
一、基本情况：
1、项目名称：工程陶瓷材料新型光整加工技术的研究
2、目的和意义
工程陶瓷具有许多优良的性能，比如较高的硬度和强度，很强的耐腐蚀、耐磨损、耐高温能力和良好的化学惰性等，因此在航空航天、化工、军事、机械、电子电器以及精密制造领域的应用日益广泛。

目前各发达国家如德、日、美、英等国非常重视工程陶瓷的开发及应用。

80年代以来，各国竞相投人大量的资金及人力，在工程陶瓷加工理论和技术、产品开发和应用等方面取得了很大的进展。

由于陶瓷材料的高硬度和高脆性，被加工陶瓷元件大多会产生各种类型的表面或亚表面损伤，这会导致陶瓷元件强度的降低，进而限制了大材料去除率的采用。

对陶瓷高效磨削加工而言，根本目标就是在保持材料表面完整性和尺寸精度的同时获得最大的材料去除率。

目前陶瓷的加工成本己达到整个陶瓷元件成本的80%～90% ，高加工成本以及难以测控的加工表面损伤层限制了陶瓷元件更广泛的应用。

陶瓷材料广阔的应用前景和复杂的加工特性，都要求对陶瓷的磨削加工过程进行全面而深入的了解。

从上世纪90年代开始，国内外学者进行了大量的研究，在陶瓷磨削的新型方式、陶瓷磨削的材料去除机理、磨削烧伤、磨削表面完整性等的影响因素、不同磨削条件的最佳磨削参数等多方面都取得了积极的研究成果。

本文主要就陶瓷磨削的研究现状及发展状况进行了归纳和总结。

3、磨削机理的研究：
由于砂轮的磨粒尺寸、形状和磨粒分布的随机性以及磨削运动规律的复杂性，给磨削机理的研究带来了很大的困难。

在陶瓷磨削方面由于陶瓷的高硬度和高脆性，大多数研究都使用了“压痕断裂力学”模型或“切削加工”模型来近似处理。

20世纪80年代初，Frank和Lawn首先建立了钝压痕器、尖锐压痕器和接触滑动三种机理分析研究模型，提出了应力强度因子公式K=aE·P/C2/3，根据脆性断裂力学条件K≥KC，导出了脆性断裂的临界载荷PBC ＝Cb·K ，他又根据材料的屈服条件s≥sY，导出了塑性变形模式下临界载荷PYYC=s3/g3(或PYYC=H3Y/g3)。

4、完成期限：
1、2012年08月，完成各单元最佳磨削参数的实验研究
2、2013年03月，完成砂轮工作轨迹的软件设计
3、2013年09月，完成用户试用
4、2013年10月，完成样机性能检测
5、2013年12月，样品技术鉴定
5、成果提供形式：
提供能够完成磨削的带砂轮样机和能指导生产的图纸和工艺文件一套
二、国内外技术发展与水平分析：
20世纪80年代初，Frank和Lawn首先建立了钝压痕器、尖锐压痕器和接触滑动三种机理分析研究模型，提出了应力强度因子公式K=aE·P/C2/3，根据脆性断裂力学条件K≥KC，导出了脆性断裂的临界载荷PBC＝Cb·K ，他又根据材料的屈服条件s≥sY，导出了塑性变形模式下临界载荷PYYC=s3/g3(或PYYC=H3Y/g3)。

研究指出：陶瓷材料的去除机理通常为裂纹扩展和脆性断裂，而当材料硬度降低，压痕半径小，摩擦剧烈，并且载荷小时，就会出现塑性变形。

1987年，I.Inasaki 进一步提出，陶瓷材料以不同的方式被去除依赖于材料上缺陷的大小和密度，诸如裂纹、裂缝和应力场的大小。

海野邦昭也在其专著中提出材料的去除机理受到高温强度的影响。

1991年，东北大学郑焕文、蔡光起教授对含钼金属陶瓷进行磨削实验，通过测定单位磨削力，磨削能和磨削比，以及使用SEM对陶瓷表面和切削区域进行观察，探索了金属陶瓷材料的去除机理。

1994年，Keio大学R.Rentsch首先将分子动力学方法用于磨削机理的研究，给出了第一个磨削过程的仿真结果用来阐述磨削中磨屑堆积的现象，并指出了磨削过程仿真与切削过程仿真的异同点。

1996年，美国麻省理工学院S.Malkin 对陶瓷磨削机理进行了综述，认为深人研究磨削机理是陶瓷材料实现低成本高效率磨削的基础。

具体的研究方法概括为压痕断裂力学法和加工观察法。

压痕断裂力学模型是建立在理想化的裂纹系统和由压头所产生的变形的基础上的。

该法将磨粒和工件间的相互作用，用理想的小范围内的压痕表示，分析应力、变形及材料去除的关系。

而加工观察法包括磨削力的测定，加工表面形貌与切屑的显微观察。

两者均为陶瓷材料的磨削机理的研究提供了重要见解。

1999年，德国Kaiserslautern大学的G Warnecke指出，在磨削新型陶瓷和硬金属等硬脆材料时，磨削过程及结果与材料去除机理紧密相关。

材料去除机理是由材料特性、磨料几何形状、磨料切入运动以及作用在工件和磨粒上的机械及热载荷等因素的交互作用决定的。

另外，平面磨削过程还受到接触区动态特性的影响。

三、研究内容、技术关键，拟采取的技术方案与措施。

对普通磨削而言，在磨削机理和磨削工艺方面已经开展了广泛而深人的研究。

在精密及超精密磨削、高速高效磨削特别是针对有特殊加工性能的陶瓷和玻璃等工程材料的磨削机理和磨削工艺方面，国内外开展了一些研究，但还很不全面，尚未形成完整的理论体系，还需要进行更深入的研究，找出其内在的规律。

1、主要研究内容有：
1) 超声波磨削超声加工
2) ELID(在线电解修整金刚石砂轮)
3) MEEC(机械—电解—电火花磨削)
2、技术关键：
在陶瓷材料加工过程的研究中，最复杂的便是材料的去除机理。

研究表明，在陶瓷磨削加工过程中，材料去除主要基于以下几种去除机理：晶粒去除、剥落、脆性断裂、破碎、晶界微破碎等脆性去除方式，粉末化去除和塑性去除方式等。

3、研究方法：
利用本单位良好的实验条件得出相关结论，先研究出符合技术要求的实验磨削机，再进行机构设计、控制系统设计、分析软件设计，最后进行样品加工实验。

四、经济效益分析：
预计材料费用约3万元，参考目前市场国内外类似产品的价格，市场售价定在8—9万元，将受到各高校、研究所、陶瓷生产厂家的欢迎。

按市场总需求量为100台计，可实现毛利约500--600万元，具有较明显的经济效益。

另从替代进口、节约外汇角度看，社会效益也十分明显。

五、进度：
2012年03月完成调研
2012年08月完成陶瓷磨削的新型方式、陶瓷磨削的材料去除机理、磨
削烧伤、磨削表面完整性等的影响因素、不同磨削条件
的最佳磨削参数等实验研究
2013年03月完成分析软件的初稿
2013年08月完成样机的组装、调试、图纸资料等技术文件的编制
2013年09月完成用户试用
2013年10月完成样品表面性能测试
2013年12月技术鉴定
六、经费概算：
1、设备、仪器购置费 2.5 购高精度传感器和图像采集设备
2、材料样品费 3.0 含加工费、制作费
3、试验费 1.5 含检测费
4、资料费0.6
5、土建安装费--
6、调研费0.8
7、鉴定费0.8
8、其他费用0.8
9、合计10.0
10、申请资助8.0 拨款
七、承担单位基本情况及具备的条件：
景德镇陶瓷学院是国内唯一以陶瓷原材料、陶瓷工艺、陶瓷窑炉、陶瓷美术、陶瓷机械等为主要学科的高等院校。

承担了国家“九五”攻关项目，在新型陶瓷材料的科研方面已经取得了多项成果。

目前，已经成为江西省陶瓷工程中心的主持单位。

在陶瓷工业领域有较强的科研能力，有众多多次主持大型科研课题经验的科研技术人员。

本项目主要负责人多年从事陶瓷材料特别是工程陶瓷材料的新型加工技术研究工作，承担过多项省市级科研项目。

我院的材料工程系和机械电子工程系长期开展陶瓷新材料、新工艺、新配方、加工方法及控制等多方面的教学和科学技术研究，两系的实验室可提供各种实验设备，并可为本项目研究提供各种试验条件。

完全能够承担“工程材料的新型光整加工技术”课题的研究，并具备完成课题鉴定的能力。