SiC陶瓷的磨削去除机理及参数对磨削力影响

doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2024.04.012

摘要/Abstract

摘要：

为探究SiC陶瓷的磨削去除机理及磨削参数对磨削力影响规律，基于SPH （smoothed particle hydrodynamics）法建立了单磨粒冲击SiC陶瓷仿真模型，分析了SiC磨削裂纹产生和扩展机制；通过单因素试验分析了v_s，v_w和a_p对SiC磨削去除机理、法向磨削力和切向磨削力的影响规律.结果表明，磨粒冲击导致中位裂纹和横向裂纹产生，随着磨粒压入深度的增加，横向裂纹向材料近表面区域扩展，当横向裂纹扩展至材料表面形成脆性断裂；随着v_s的增大，v_w和a_p的减小，磨削表面产生的凹坑区域和凹坑深度减小，塑性去除区域变大，法向磨削力和切向磨削力均呈减小趋势.研究成果为SiC构件的高效低损伤加工提供重要依据.

关键词: 磨削, 去除机理, 磨削力, SiC陶瓷, SPH

Abstract:

In order to explore the removal mechanism and influence law of grinding force in grinding SiC ceramics， the simulation model of single abrasive striking SiC ceramics was established based on the SPH（smoothed particle hydrodynamics） method， and the crack generation and propagation mechanism during grinding SiC ceramics were analyzed； the effect of grinding velocity （v_s）， feeding rate （v_w） and grinding depth （a_p） on the removal mechanism， the normal grinding force and tangential grinding force of grinding SiC ceramics were analyzed by the single factor experiment. The results showed that the abrasives striking the workpiece lead to the generation of the median cracks and the transverse cracks. With the increase of abrasive pressing depth， the transverse crack expands to the material surface， and when the transverse crack expands to the material surface， the brittle fracture occurs. With the increase of v_s， the decrease of v_w and a_p， and the decrease of the area and depth of the pits on the grinding surface， the plastic removal area becomes larger， and the normal grinding force and tangential grinding force both decrease. These results may provide an important basis for high‐efficiency and low‐damage machining of SiC ceramic components.

Key words: grinding, removal mechanism, grinding force, SiC ceramics, SPH

中图分类号:

TH 161

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图/表 11

图1 试验设备（a）—试验机床及测力系统；（b）—电镀金刚石砂轮.

Fig.1 Experimental equipment

表1 SiC单因素磨削试验方案

Table 1 Single factor experimental scheme of grinding SiC

试验序号	主轴转速v_s	进给速度v_w	磨削深度a_p
试验序号	r·min^-1	mm·min^-1	μm
1	12 000	50	20
2	12 000	250	20
3	12 000	450	20
4	12 000	650	20
5	2 000	250	20
6	7 000	250	20
7	17 000	250	20
8	12 000	250	10
9	12 000	250	30
10	12 000	250	40

表2 SiC陶瓷材料的JH-2本构模型参数

Table 2 JH-2 constitutive model parameters of SiC ceramic material

参数	数值
密度/（kg·m^-3）	3 163
剪切模量/GPa	183
抗拉强度/GPa	0.37
A	0.96
B	0.35
C	0.0
M	1.0
N	0.65
HEL/GPa	14.567
D₁	0.48
D₂	0.48
K₁	204.785
K₂	0
K₃	0

图2 磨粒压入SiC陶瓷表面横向裂纹产生情况

Fig.2 Transverse crack generation when the abrasives press into SiC ceramic surface （a）—t=0.02 μs；（b）—t=0.04 μs.

图3 磨粒压入SiC陶瓷表面横向裂纹和中位裂纹产生情况

Fig.3 Generation of transverse and median cracks when the abrasives press into SiC ceramic surface （a）—t=0.02 μs；（b）—t=0.04 μs.

图4 vs不同时的磨削表面（a）—vs=2 000 r·min-1；（b）—vs=17 000 r·min-1.

Fig.4 Grinding surface at different vs

图5 vw不同时的磨削表面（a）—vw=50 mm·min-1；（b）—vw=650 mm·min-1.

Fig.5 Grinding surface at different vw

图6 ap不同时的磨削表面（a）—ap=10 μm；（b）—ap=40 μm.

Fig.6 Grinding surface at different ap

图7 vs对Fn和Ft的影响

Fig.7 Effect of vs on Fn and Ft

图8 vw对Fn和Ft的影响

Fig.8 Effect of vw on Fn and Ft

图9 ap对Fn和Ft的影响

Fig.9 Effect of ap on Fn and Ft

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