專利名稱：一種硬脆陶瓷材料臨界切削深度的檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及硬脆陶瓷材料的塑性域加工工藝領(lǐng)域，尤其是一種硬脆陶瓷材料臨界切削深度的檢測(cè)方法。
背景技術(shù)：
硬脆陶瓷材料塑性域加工，工件加工后表面質(zhì)量好，表面與亞表面損傷層小。但其完全塑性域加工，要求所有磨粒的切削深度都在臨界切削深度以下。因此，硬脆陶瓷材料臨界切削深度是其實(shí)現(xiàn)塑性域加工的關(guān)鍵指標(biāo)。根據(jù)文獻(xiàn)檢索，以往對(duì)硬脆陶瓷材料臨界切削深度是根據(jù)壓痕斷裂力學(xué)進(jìn)行研究的，即以一定的垂直力將金剛石壓頭壓入材料內(nèi)部一定的深度，觀察材料的變形情況，以分析先進(jìn)陶瓷材料在載荷作用下的斷裂機(jī)理。在壓痕實(shí)驗(yàn)的加載到卸除一個(gè)完整的循環(huán)中，破壞裂紋由產(chǎn)生到擴(kuò)展的過(guò)程如圖1所示。從圖1中可以看出，即使是脆性材料，在很小載荷的作用下仍然會(huì)產(chǎn)生一定的塑性變形。當(dāng)載荷增加時(shí)，材料將由塑性變形方式向脆性破壞發(fā)生轉(zhuǎn)變，在材料的內(nèi)部和表面上產(chǎn)生脆性裂紋。在這個(gè)轉(zhuǎn)變過(guò)程中，當(dāng)裂紋剛好產(chǎn)生時(shí)所施加的垂直載荷稱為臨界載荷，如圖1(c)狀態(tài)時(shí)，此時(shí)壓頭壓入的深度稱為臨界壓入深度。當(dāng)磨粒對(duì)材料的作用力限制在圖1(c)所示的狀態(tài)以下，即可實(shí)現(xiàn)表面無(wú)裂紋的塑性域加工。如將磨粒對(duì)材料的作用力限制在圖1(a)所示的狀態(tài)以下，即磨粒切削深度在臨界切削深度以下，則可實(shí)現(xiàn)亞表面無(wú)裂紋的完全塑性域加工，表面只有一層極薄的非晶層。到目前為止，很多學(xué)者針對(duì)各種硬脆陶瓷材料做了大量的微納米劃痕實(shí)驗(yàn)，當(dāng)壓頭的切削深度由淺逐漸變深時(shí)，都能出現(xiàn)脆性-塑性轉(zhuǎn)變，由于所用的實(shí)驗(yàn)條件不同，所得到的臨界切削深度也不盡相同。加工載荷、壓頭尖端形狀等因素與臨界切削深度直接相關(guān)，而實(shí)際磨粒形狀與壓頭形狀差別較大，且磨粒對(duì)工件的切削狀況與壓頭的微納米劃痕試驗(yàn)情況區(qū)別較大，因此微納米劃痕試驗(yàn)并不能準(zhǔn)確地反映材料的臨界切削深度。目前實(shí)際加工條件下臨界切削深度還需要進(jìn)一步研究。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服已有硬脆陶瓷材料臨界切削深度的檢測(cè)技術(shù)的檢測(cè)精度較差、可靠性較差的不足，本發(fā)明提供一種檢測(cè)精度高、可靠性良好的硬脆陶瓷材料臨界切削深度的檢測(cè)方法。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是一種硬脆陶瓷材料臨界切削深度的檢測(cè)方法，所述檢測(cè)方法包括以下步驟1)工件微小斜坡的構(gòu)建首先在基盤上粘貼一薄墊片，并選用拋光后表面超光滑無(wú)劃痕硬脆陶瓷材料切片作為工件切片，將所述工件切片架到該薄墊片上粘貼，所述工件切片形成一微小斜坡；2)磨粒切痕加工實(shí)驗(yàn)研磨盤的粒度號(hào)，加工載荷、加工轉(zhuǎn)速及加工液都與實(shí)驗(yàn)加工情況相同，加工時(shí)磨粒在工件切片的表面形成由淺至深的微切痕；3)磨粒切痕的跟蹤觀測(cè)分析采用白光干涉儀來(lái)跟蹤觀測(cè)加工過(guò)渡區(qū)內(nèi)磨粒切痕，尋找塑脆性轉(zhuǎn)變特征明顯的磨粒切痕，找到首先出現(xiàn)破碎狀裂紋處，對(duì)此破碎狀裂紋處進(jìn)行二維輪廓分析，所述破碎狀裂紋的切痕深度定義為該硬脆陶瓷材料的臨界切削深度。進(jìn)一步，所述步驟1)中，所述微小斜坡的角度為0.3° 1.2°。再進(jìn)一步，所述步驟1)中，將墊片擺放位置與研磨盤加工時(shí)旋轉(zhuǎn)方向匹配，以保證磨粒從淺至深形成微切痕。本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在(1)加工情況一致。臨界切削深度與加工條件緊密相關(guān)，本發(fā)明的檢測(cè)過(guò)程與實(shí)際加工條件相一致；( 果準(zhǔn)確度高。檢測(cè)結(jié)果采用白光干涉儀Wyko NT9800來(lái)跟蹤觀測(cè)磨粒切痕。NT9800分辨率高，檢測(cè)精度極高，分析結(jié)果準(zhǔn)確。


圖1是本發(fā)明中尖銳壓頭下材料裂紋發(fā)展過(guò)程的示意圖，其中(a)表示壓頭在接觸區(qū)產(chǎn)生非彈性變形區(qū)，(b)表示變形流動(dòng)將發(fā)展成為中位裂紋；(c)表示載荷進(jìn)一步加大使裂紋成比例擴(kuò)展；(d)表示載荷減小時(shí)，中位裂紋開始閉合；(e)表示載荷繼續(xù)減小，應(yīng)力失配導(dǎo)致產(chǎn)生橫向裂紋；(f)表示卸載后，橫向裂紋繼續(xù)擴(kuò)展形成切屑脫離工件；圖2是本發(fā)明中微小斜坡磨粒切痕實(shí)驗(yàn)原理圖。圖3是本發(fā)明中磨粒的切削刃圓半徑的示意圖。圖4是本發(fā)明中微小斜坡切痕塑脆性變化過(guò)程示意圖。圖5是圖4的A-A剖視圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。參照?qǐng)D2 圖5，一種硬脆陶瓷材料臨界切削深度的檢測(cè)方法，該方法采用了與實(shí)際加工條件一致的微小斜坡加工實(shí)驗(yàn)，并通過(guò)白光干涉儀來(lái)跟蹤觀察工件表面微切痕，研究硬脆陶瓷材料在磨粒加工過(guò)程中脆性-塑性轉(zhuǎn)變的過(guò)程和特征，分析磨粒切削刃尺寸、加工參數(shù)等對(duì)其臨界切削深度的影響，并且得到該硬脆陶瓷材料的臨界切削深度。所述檢測(cè)方法包含以下步驟1)工件微小斜坡的構(gòu)建首先在基盤1上粘貼一薄墊片2，粘結(jié)劑采用石蠟。并選用拋光后表面超光滑無(wú)劃痕硬脆陶瓷材料切片3，將工件切片3架到該薄墊片2上粘貼，如圖2所示。這樣使工件切片形成一微小斜坡，加工時(shí)磨?？稍诠ぜ砻嫘纬捎蓽\至深的微切痕，如圖5所示。為了使磨粒形成的切痕深度變化緩慢，需控制微小斜坡的角度，可對(duì)粘上的墊片進(jìn)行研磨以控制墊片厚度，本發(fā)明中都將墊片的厚度加工至100 μ m，微小斜坡的角度約為0. 6°。同時(shí)還應(yīng)將墊片擺放位置與加工時(shí)研磨盤旋轉(zhuǎn)方向匹配，以保證磨粒從淺至深形成微切痕。2)磨粒切痕加工實(shí)驗(yàn)微小斜坡磨粒切痕的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用與實(shí)際研磨加工同一實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以保證和實(shí)際加工的一致性。同時(shí)研磨盤的粒度號(hào)，加工載荷、加工轉(zhuǎn)速及加工液都與實(shí)驗(yàn)加工情況相同，加工10分鐘。3)磨粒切痕的跟蹤觀測(cè)分析采用白光干涉儀Wyko NT9800來(lái)跟蹤觀測(cè)加工過(guò)渡區(qū)內(nèi)磨粒切痕，尋找塑脆性轉(zhuǎn)變特征明顯的磨粒切痕。并找到首先出現(xiàn)破碎狀裂紋處，將此定義為材料的脆性-塑性臨界點(diǎn)，并對(duì)此處進(jìn)行二維輪廓分析，將此切痕深度定義為該硬脆陶瓷材料的臨界切削深度。實(shí)例1 單晶硅臨界切削深度不僅與其本身材料特性有關(guān)，還有其它眾多影響因素。其中不同寬度切痕的塑脆性轉(zhuǎn)變切削深度是不同的，一般寬的切痕易產(chǎn)生脆性斷裂，窄的切痕容易塑性切削，通常認(rèn)為切痕寬窄是由磨粒粒度大小決定。然而在加工區(qū)的檢測(cè)中會(huì)發(fā)現(xiàn)，有的寬切痕在切削深度較深時(shí)工件仍是塑性切削，有的窄切痕在切削深度較淺時(shí)就出現(xiàn)脆性斷裂現(xiàn)象，因此需綜合考慮了切痕的寬度和深度。由于工件切痕形狀如圓刃切削形成，而磨粒尖端圓刃的刃圓半徑綜合考慮了切痕的寬度和深度兩方面因素，如圖3所示，因此磨粒的刃圓半徑可能是影響單晶硅臨界切削深度的重要因素。本例采用1500#的磨具進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在過(guò)渡區(qū)中有眾多磨粒的切痕，由于這些磨粒的粒徑大小、切削方向及切削狀態(tài)等不同，使得工件上的切痕塑脆性轉(zhuǎn)變特征并不十分明顯。因此，需從這些切痕中找出塑脆性轉(zhuǎn)變特征明顯的切痕，從這些特征明顯的切痕中可發(fā)現(xiàn)其存在著三個(gè)明顯的階段，如圖4所示。由第一階段切痕較淺時(shí)，切痕邊緣光滑，工件處于完全塑性切削狀態(tài)。第二階段切痕邊緣出現(xiàn)斷續(xù)破裂狀，有時(shí)單邊還出現(xiàn)隆起狀態(tài)，此時(shí)工件處于塑脆性轉(zhuǎn)變，在塑脆性轉(zhuǎn)變階段的切痕長(zhǎng)度較長(zhǎng)，大多穿過(guò)過(guò)渡區(qū)。第三階段工件切痕邊緣完全破碎，此時(shí)工件處于脆性去除狀態(tài)。為測(cè)量臨界切削深度，在切痕塑脆性轉(zhuǎn)變分界處作二維剖面分析，將切痕在此處的深度值作為臨界切削深度。為計(jì)算產(chǎn)生這一切痕磨粒的刃圓半徑，假定這些切痕是未變形切痕，則磨粒的刃圓半徑如圖3計(jì)算。其中，r為磨粒刃圓半徑，2b為切痕溝槽的寬度，t為溝槽的深度。(r-t)2+b2 = r2(4-1)
權(quán)利要求
1.一種硬脆陶瓷材料臨界切削深度的檢測(cè)方法，其特征在于所述檢測(cè)方法包括以下步驟1)工件微小斜坡的構(gòu)建首先在基盤上粘貼一薄墊片，并選用拋光后表面超光滑無(wú)劃痕硬脆陶瓷材料切片作為工件切片，將所述工件切片架到該薄墊片上粘貼，所述工件切片形成一微小斜坡；2)磨粒切痕加工實(shí)驗(yàn)研磨盤的粒度號(hào)，加工載荷、加工轉(zhuǎn)速及加工液都與實(shí)驗(yàn)加工情況相同，加工時(shí)磨粒在工件切片的表面形成由淺至深的微切痕；3)磨粒切痕的跟蹤觀測(cè)分析采用白光干涉儀來(lái)跟蹤觀測(cè)加工過(guò)渡區(qū)內(nèi)磨粒切痕，尋找塑脆性轉(zhuǎn)變特征明顯的磨粒切痕，找到首先出現(xiàn)破碎狀裂紋處，對(duì)此破碎狀裂紋處進(jìn)行二維輪廓分析，所述破碎狀裂紋的切痕深度定義為該硬脆陶瓷材料的臨界切削深度。
2.如權(quán)利要求1所述的一種硬脆陶瓷材料臨界切削深度的檢測(cè)方法，其特征在于所述步驟1)中，所述微小斜坡的角度為0.3° 1.2°。
3.如權(quán)利要求1或2所述的一種硬脆陶瓷材料臨界切削深度的檢測(cè)方法，其特征在于所述步驟1)中，將墊片擺放位置與研磨盤加工時(shí)旋轉(zhuǎn)方向匹配，以保證磨粒從淺至深形成微切痕。
全文摘要
一種硬脆陶瓷材料臨界切削深度的檢測(cè)方法，包括以下步驟1)首先在基盤上粘貼一薄墊片，并選用拋光后表面超光滑無(wú)劃痕硬脆陶瓷材料切片作為工件切片，將所述工件切片架到該薄墊片上粘貼，所述工件切片形成一微小斜坡；2)研磨盤的粒度號(hào)，加工載荷、加工轉(zhuǎn)速及加工液都與實(shí)驗(yàn)加工情況相同，加工時(shí)磨粒在工件切片的表面形成由淺至深的微切痕；3)采用白光干涉儀來(lái)跟蹤觀測(cè)加工過(guò)渡區(qū)內(nèi)磨粒切痕，尋找塑脆性轉(zhuǎn)變特征明顯的磨粒切痕，找到首先出現(xiàn)破碎狀裂紋處，對(duì)此破碎狀裂紋處進(jìn)行二維輪廓分析，所述破碎狀裂紋的切痕深度定義為該硬脆陶瓷材料的臨界切削深度。本發(fā)明檢測(cè)精度高、可靠性良好。
文檔編號(hào)G01B11/22GK102564336SQ201210029878
公開日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2012年2月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月10日
發(fā)明者呂迅, 李志鑫, 袁巨龍 申請(qǐng)人:浙江工業(yè)大學(xué)