专利名称：利用弹性覆层喷丸提高工程陶瓷磨削断裂强度的方法
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O. 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30(T500mm/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I、通过在陶瓷工件磨削表面施加弹性覆层，避免钢质弹丸直接冲击破坏已加工表面，在材料表面形成裂纹和碎裂等宏观损伤。喷丸中，受到大量弹丸的冲击力和弹性覆层的减压作用，磨削过程导致的加工表面凸峰因挤压、碎化而逐渐去除，降低陶瓷工件磨削表面与微观不平度高度特性有关的粗糙度参数，测量结果表明经本发明方法的喷丸处理后陶瓷表面轮廓最大高度Ry为2 4 μ m,比未喷丸处理的磨削表面粗糙度减少约22. 26% ；2、喷丸机提供给弹丸的初始动能，通过与丁基橡胶覆层的弹性接触、碰撞和挤压等能量吸收过程，转化为压应力施加在陶瓷工件表面，抵消部分残留在表面塑性变形层内的磨削热致拉应力，形成残余压应力或较低的残余拉应力的合力状态，X射线应力测试仪测得喷丸后残余应力为_100MPa 30MPa。3、陶瓷工件磨削后断裂强度提高幅度达16%，以简单的设备与低廉的成本实现了陶瓷磨削加工质量的改善，进一步推动了工程陶瓷的实际应用。
图I为本发明固定弹性覆层与陶瓷工件的专用夹具。
具体实施例方式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结合附图及实施例进一步说明如下本发明提出的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，其特征在于包括以下步骤I)将丁基复合橡胶层紧密贴合在磨削加工后的陶瓷表面，并完全覆盖陶瓷工件表面，丁基复合橡胶覆层的厚度为f2mm ；
2)用夹具将陶瓷工件和弹性覆层紧固；3)以30(T500mm/min的速度移动带有弹性覆层的陶瓷工件与夹具，调整气动式喷丸机喷嘴与陶瓷工件待喷丸表面间距至10(T400mm，使弹丸覆盖面积为105 1673cm2，(该面积范围通过调整气动式喷丸机喷嘴与陶瓷工件待喷丸表面间距的大小得到，可用于加工不同尺寸的工作，使弹丸覆盖面积与待加工的陶瓷工件表面积相当即可)空气喷射压力调整为O. 4^0. 6MPa，喷射时间设定为l(T20s，用气动式喷丸机喷射直径为O. 8^1mm的弹丸冲击作用在工件表面，以降低表面残余应力，改善陶瓷磨削加工强度及表面质量。所述的磨削加工包括平面磨削和外圆磨削，陶瓷工件包括规则外形工件和不规则外形工件。所述的陶瓷工件材料包括氮化硅或氧化铝或氧化锆或碳化硅或莫来石。所述的专用夹具采用45号钢制成。所述的球形弹丸材质为普通45钢丸，钢丸公称直径约O. 8 1_。实施例I本实施例方法包括以下步骤I)将丁基复合橡胶层紧密贴合在磨削加工后的氮化硅陶瓷表面，并完全覆盖陶瓷工件表面；本实施例的待喷丸陶瓷工件尺寸为50mmX 8mmX 5mm，弹性覆层采用丁基复合橡胶的门尼黏度为ML (1+4) IOO0C 46 56，不饱和度为I. 6% 2. 0%，拉伸强度为20MPa，先将橡胶块裁切成略大于待加工陶瓷工件表面尺寸、厚度为O. 5mm的均匀薄片，覆盖在陶瓷工件表面上；2)用夹具将陶瓷工件和弹性覆层紧固；图I为本实施例用于固定弹性覆层与陶瓷工件的专用夹具结构，该夹具包括矩形平板11，螺杆12，下底板13和螺母14四部分，均采用45号钢制成。矩形平板11和螺杆12上端通过焊接组成结构尺寸相同的左右夹臂，对丁基复合橡胶覆层和工件起主要夹持作用，螺杆12下端与下底板13上的两个椭圆通孔形成间隙配合，在螺母14紧固下形成左右夹臂、弹性覆层、工件、下底板四者间的紧密结合。下底板13上的椭圆通孔可用于调节左右夹臂的间距，使陶瓷工件被牢固夹持在左右夹臂之间。3)使气动式喷丸机喷射弹丸冲击作用在工件表面，以降低表面残余应力，改善陶瓷磨削加工强度及表面质量。本实施例在喷丸处理时的主要技术参数为使用公称直径为O. 9mm的45钢弹丸对氮化硅陶瓷磨削表面进行喷丸处理，气动式喷丸机喷嘴与工件待喷丸表面固定距离为250mm，弹丸覆盖面积调整到能覆盖工件表面；设定喷丸气压、喷丸时间、丁基复合橡胶覆层厚度和工件移动速度分别为O. 4MPa、20s、2mm和500mm/min。本实施例的主要原理是使用附图I中的左夹臂11、右夹臂12和下底板13，将丁基复合橡胶覆层严密固定于陶瓷工件磨削表面。气动式喷丸机为钢质弹丸提供的喷射气压，作用于陶瓷磨削表面覆盖的弹性覆层上，经过覆层的降压缓冲和隔离保护，最后以压应力施加在陶瓷加工表面，使冲击区域内表面轮廓凸峰受到撞击、挤压而碎裂和平坦化，轮廓峰顶线和谷底线之间的距离减小，从而降低粗糙度高度参数。同时，钢质弹丸通过弹性覆层提供的冲击和挤压应力施加在磨削塑性变形层上，与工件磨削表层残余拉应力线性叠加形·成残余压应力，达到提高陶瓷材料断裂强度、改善磨削加工质量的目的。
本实施例中，氮化硅表面喷丸后测量工件断裂强度比喷丸前提高10. 3%。实施例2采用与实施例I相同的工具及步骤，不同之处在于改变喷丸处理时的主要技术参数即使用公称直径为O. 9mm的45钢弹丸对碳化硅陶瓷磨削表面进行喷丸处理，气动式喷丸机喷嘴与工件待喷丸表面固定距离为250mm，设定喷丸气压、喷丸时间、丁基复合橡胶覆层厚度和工件移动速度分别为O. 6MPa、10s、lmm和300mm/min。
本实施例中，碳化硅表面喷丸后测量工件断裂强度比喷丸前提高15. 6%。
权利要求
1.一种利用弹性覆层喷丸提高工程陶瓷磨削断裂强度的方法，其特征在于包括以下步骤1)将丁基复合橡胶层紧密贴合在磨削加工后的陶瓷表面，并完全覆盖陶瓷工件表面，丁基橡胶覆层的厚度为广2_;2)用夹具将陶瓷工件和弹性覆层紧固；3)以30(T500mm/min的速度移动带有弹性覆层的陶瓷工件与夹具，调整气动式喷丸机喷嘴与陶瓷工件待喷丸表面间距至10(T400mm，使弹丸覆盖面积为105 1673cm2，空气喷射压力调整为O. 4^0. 6MPa，喷射时间设定为l(T20s，使气动式喷丸机喷射直径为O. 8^1mm的弹丸冲击作用在工件表面，以降低表面残余应力，改善陶瓷磨削加工强度及表面质量。
2.如权利要求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圆磨削，陶瓷工件包括规则外形工件和不规则外形工件。
3.如权利要求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铝或氧化锆或碳化硅或莫来石。
4.如权利要求I
5.如权利要求I称直径约O. 8 1mm。所述方法，其特征在于:所述方法，其特征在于所述的专用夹具采用45号钢制成。:所述的球形弹丸材质为普通45钢丸，钢丸公
全文摘要
本发明涉及一种利用弹性覆层喷丸处理提高工程陶瓷磨削后断裂强度的技术及其装置。该技术包括将弹性橡胶材料覆盖于磨削加工后的工程陶瓷表面，利用专用夹具对覆层和陶瓷进行紧密固定；采用压缩空气提供动力的钢质弹丸喷射冲击覆层表面，同时以恒定速度移动工件和夹具，使陶瓷工件表面受到弹丸的均匀冲击作用。本发明使陶瓷磨削表面轮廓凸峰在弹丸撞击和挤压作用下碎裂和平坦化，降低轮廓最大高度参数，弹丸的冲击在磨削塑性变形区内形成残余压应力，从而改善陶瓷表面残余应力状态及断裂强度。本发明工艺简单、对设备要求低、加工耗时短、专用夹具与加工成本低廉，进一步推动工程陶瓷的工程实际应用。
文档编号B24C1/00GK102922430SQ20121046512
公开日2013年2月13日 申请日期2012年11月18日 优先权日2012年11月18日
发明者田欣利, 王健全, 张保国, 唐修检, 李富强, 王鹏晓, 余霞 申请人:田欣利, 王健全