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河南理工大學萬方科技學院
本科畢業(yè)設計（英文翻譯）
題目：Ultrasonic machining of alumina-based ceramic composites
院系：機械與動力工程系
班級：
姓名：
學號：
指導教師 ：
氧化鋁基陶瓷復合材料的超聲波加工
鄧建新，李泰春
歐洲陶瓷學會雜志22（2002年）1235年至1241年
機械工程系部，山東大學，濟南，山東省，郵編250061紅磡，九龍，香港，中國，香港理工大學制造工程部
2001年3月21日2001年8月8在修訂后的形式收到;2001年8月15日
摘要
在超聲波加工（USM）中，被移除的材料主要是通過研磨顆粒的反復撞擊擠壓，材料去除率（MRR）和表面完整性是由包括工件材料的材料參數(shù)的各種因素的影響。在這項研究中，對在氧化鋁基陶瓷復合材料的超聲加工中工件的加工工件材料的性能和微觀結構的影響進行了研究。超聲波加工標本的強度分布被用來評價表面完整性。結果表明，陶瓷復合材料的斷裂韌性，在對MRR上發(fā)揮了重要作用。 USM的晶須增強氧化鋁復合材料，材料去除率（MRR)取決于晶須取向。氧化鋁基陶瓷復合材料的強度分布的研究加工通過USM示范，從狹義的撓曲強度平均值，并具有高斷裂韌性復合材料的抗彎強度變化表現(xiàn)出較高的韋伯模數(shù)。 2002ELSEVIER科學有限公司保留所有權利。
關鍵詞：氧化鋁;復合材料;加工，超聲波加工
1介紹
相比之下，以金屬或高分子材料，陶瓷的可加工性是非常有限的。陶瓷材料性能特點，如高硬度，缺乏延伸的，低的耐冷熱沖擊，往往導致低的材料去除率（MRR），相對較差的表面質(zhì)量和表面下的損害，這可能成長為加工過程中的自發(fā)性破碎。超聲波加工（USM）是硬而脆的材料的研磨加工過程，關于可是否進行或不加工，磨削加工過程和工件的經(jīng)歷沒有熱損傷。例如，強烈的電火花加工和激光加工依靠熱切割機制，通常會導致熱表面一層的微裂紋。相比之下，USM是非熱過程，特別適合陶瓷材料的加工，無論其電導率是多少。
陶瓷材料的USM被移除主要通過研磨顆粒反復撞擊擠壓。一些研究已經(jīng)顯示了脆性材料的撞擊碰撞由一般被認為導致彈性/塑性斷裂的堅硬和鋒利的顆粒材料。這種類型破碎的主要特點首先撞擊粒子隨著陶瓷的塑形變形的接觸區(qū)域表面下橫向裂縫向外擴展從平行于表面的接觸帶飛向帶外，陶瓷表面之間的接觸面積的塑性變形，中位線破碎從平行于正常的接觸區(qū)表面裂紋傳播。材料移除率被認為主要是當橫向裂縫曲線相交表面的表面發(fā)生移除的。而平行裂縫停留在表面，并影響后續(xù)強度。由于橫向和平行裂縫的形成和傳播雖然是密切相關工件材料的材料參數(shù)。材料去除率，表面完整性，殘余強度和超聲波加工陶瓷的分布，將先后被工件材料的材料參數(shù)影響。
在這項研究中，在對氧化鋁基陶瓷復合材料的超聲加工的材料去除率和表面完整性的工件材料的性質(zhì)和微觀結構的影響進行了研究。檢測到材料去除率和表面粗糙度之間的性能和微觀結構的研究。表面完整性通過測量其抗彎強度，并確定其分布進行了評估。其目的是為氧化鋁基陶瓷復合材料的材料去除率和表面完整性的性質(zhì)和微觀結構的影響在USM上。
2.材料與實驗過程
2.1氧化鋁基陶瓷復合材料的制備與表征
在本次調(diào)查所用的材料是幾個熱壓氧化鋁基陶瓷復合材料，由作者提供了一個合理的力學性能和微觀的研究（見表1）廣泛制造。 Al2O3/TiC系，Al2O3/TiB2和Al2O3/（鈦，W）C三粒子增強陶瓷復合材料，Al2O3/SiCw是晶須增強復合陶瓷，而Al2O3/TiB2/SiCw納入顆粒和晶須增韌。
單片氧化鋁（平均粒徑為0.5毫米）被用來作為基準線材料。硼化鈦，碳化鈦，和（Ti，W），C顆粒（平均粒徑為0.8毫米）或SiC晶須（直徑1-3毫米，長度為20-80毫米），根據(jù)表1中列出的組合，添加到氧化鋁矩陣。最后的結果被完成由8-60分鐘的壓力36兆帕，在氬氣氣氛熱壓生產(chǎn)陶瓷盤。所需的燒結溫度范圍的1600-1800 C。3 *4*36毫米的試件制備了熱壓的磁盤使用直徑金剛石輪切割和研磨和抗彎強度和斷裂韌性的測量。三點彎曲模式是用來衡量在0.5 mm / min的十字頭速度超過30毫米范圍內(nèi)的抗彎強度。斷裂韌性測定壓痕微骨折技術。五個試樣的抗彎強度和斷裂韌性數(shù)據(jù)進行收集，并在表1所列。
圖一
圖1所示A12O3/Tic陶瓷復合材料的微觀結構，標本蝕刻使用的磷酸熱解。在這種結構中，白色的階段形成鮮明對比的是TIC，氧化鋁是灰色的階段。可以看出，第二階段是均勻分布的矩陣，并有幾個第二階段結塊或矩陣豐富的地區(qū)。光學顯微鏡的拋光表面是為了 Al2O3/SiCw 的制備復合材料的熱緊迫的方向如圖 2。 SiC晶須的白色針狀階段。這是顯而易見的胡須在同質(zhì)化的矩陣分散。
圖二
2.2超聲波加工試驗
超聲波加工試驗進行了使用J93025機床（中國制造）。超聲波機床的原理圖如圖3。超聲波發(fā)生器產(chǎn)生高頻率的電信號，其中有一個功率為250瓦和16-25千赫的頻率。與機械振動信號轉換成電信號相同的頻率磁致伸縮鎳棧的傳感器。放大信號和傳輸工具。單泵提供壓力下工作的壓強。磨料是80砂礫碳化硼粉末。表2列出了機床的規(guī)格和測試條件。MRR是被計算的計算除以加工時間刪除音量，和在用mm3/min表示。上talysurf10系統(tǒng)進行了加工標本的表面粗糙度測量。通過掃描電子顯微鏡（SEM）觀察陶瓷復合材料的加工表面的微觀結構。
圖三
3.結果與討論
3.1材料去除率和表面粗糙度的影響
陶瓷的USM，磨料顆粒在水泥漿下的工具，這是一個小幅度的超聲波頻率，材料反復沖擊的陶瓷表面上的磨粒去除。粒子撞擊的材料去除被認為主要是由表面的破碎發(fā)生時，橫向裂縫曲線相交的表面。最重要的參數(shù)，控制材料去除確定由壓痕特征力學。為材料的一般方程去除脆性材料，特別是在陶瓷撞擊粒子，其中V是體積損失，CL的橫向裂縫長度，h的平均深度，N的單位真正的顆粒體積的影響粒子的總數(shù)。側向裂紋的長度和平均深度，其中，E和HV的彈性模量和維氏硬度的材料，和P是平均垂直沖擊力，從一個顆粒材料沖擊力，從一個顆粒材料加工。從式中可以看出。
橫向和平行裂紋的大小與生長斷裂韌性和減少在增加載入。圖4顯示了破碎的相互依存韌性和在USM上的材料去除率不同氧化鋁基陶瓷復合材料。外加面垂直于熱強烈的方向晶須增強陶瓷基復合材料（A12O3/SiCwA12O3/TiB2/SiCw）被選為加工表面?？梢钥闯觯瑪嗔秧g性對MRR的發(fā)揮重要的作用。復合材料具有高斷裂韌性表現(xiàn)出較低的材料去除率。晶須增強陶瓷復合材料的表現(xiàn)出較高的材料去除率。這可以解釋由材料是一種措施，作出所需的能量破解成長，復合材料與高斷裂韌性需要更多的能量。在相同的加工條件下，輸入的能量保持為不變的值，因此只有這樣，才能把更多的能量到加工過程是增加加工時間（或減少MRR的）。
圖四
圖五
圖5顯示了在USM的這些氧化鋁基陶瓷復合材料的表面粗糙度。由此可以看出，有一個類似的MRR的趨勢，大多數(shù)生產(chǎn)資料給予最大的粗糙度，反之亦然。類似的意見已見報于若干單相的陶瓷制品中。
3.2微觀結構對材料去除率和表面粗糙度
熱壓晶須增強陶瓷復合材料的誘導晶須分布的各向異性導致的力學性能和成果.，因為依賴復合的方向，這種復合陶瓷材料去除率在USM上將受影響晶須取向的。
圖六
圖6顯示的晶須取向?qū)Τ暡庸ぴ贏12O3/SiCw和A12O3/TiB2/SiCw陶瓷復合材料去除率的影響。凡代表加工表面的表面正常熱壓方向，可以在看到相關。晶須很明顯，對MRR的發(fā)揮的重要作用的方向角度。由于方向角從0到90不等，MRR的減少進行了觀察。 當角度為90表面有最小的材料去除率，并當角度為0時，表面表現(xiàn)出最高的材料去除率。
圖七
圖7顯示了晶須取向的影響在USMof A12O3/SiCw和氧化鋁/ TiB2/SiCw復合材料的表面粗糙度。由此可以看出，晶須取向?qū)Ρ砻娲植诙鹊挠绊?，當角度?0表面展示每個復合最低的表面粗糙度。
圖八
圖8圖解說明顆粒和晶須的影響，分別在每一種情況下發(fā)生的造成的橫向裂紋之間的相互作用。 當角度為0的表面，大部分晶須加工表面平行分布，造成的影響粒子的橫向裂縫傳播方向平行晶須平面（圖8a）。胡須不再共享負載，以及彌合很少發(fā)生。晶須增韌很少或根本沒有發(fā)生，因為橫向裂縫通過矩陣可以很容易傳播。因此，可以說，這種類型的加工，胡須不能支持任何應用應力和有效增韌元素的作為。因此，在這種情況下，較大的MRR的觀察。
圖九
超聲的加工A12O3/SiCw表示當角度為?0的SEM形貌如圖 9。由此可以看出，加工表面上存在著很多深小剪刀晶須狀。這些晶須狀深小剪刀狀表明的晶須剝離的，它提供了足夠的證據(jù)，很少或根本沒有晶須拔出和彌合了這種類型的加工過程中的地方。裂紋擴展方向的傾斜晶須平行的角度方向變化的影響，從橋接，拔出及裂紋偏轉增韌的幫助。例如，當晶須平面和橫向裂紋擴展方向之間的方向角y是從0變化到當角度為90 ，當角度為45（圖8b），裂紋擴展方向是不正常的晶須平行。在這種情況下，胡須實驗拉伸和彎曲應力，并有增加的可能性，因為胡須的彎曲力晶須斷裂。當角度為 90時，為最正常加工表面分布，橫向裂縫造成的影響粒子在垂直方向傳播的晶須軸（圖8C），晶須經(jīng)歷拉伸應力。彌合晶須施加在裂紋尖端應力，主要承重元素和抵抗裂紋擴展的。因此，當角度為 90，胡須可以被加載到一個更大的程度上比其他情況，晶須拔出阻力消耗的能量和，因此，這種類型的加工過程中的最低MRR的主要原因。加工表面當角度為 90時的顯微圖片為圖10。當對比圖9，晶須深微剪刀一樣在加工表面上。
圖十
3.3超聲波加工氧化鋁基陶瓷復合材料的表面完整性
陶瓷材料的強度取決于其固有的抗斷裂分布的缺陷，如晶界，氣孔和裂紋，從而導致強度發(fā)生大的變化。斷口分析表明，負責陶瓷失效的原因，在大多數(shù)情況下，表面缺陷，這往往是在最后的加工機械處理過程中發(fā)生。這表面上的加工損傷限制的強度，根據(jù)壓力觀察到斷裂強度相同的材料不同標本之間的差別很大。這是很常見的發(fā)現(xiàn)因為它破碎應力的強度分布，這部分是由于隨機分布的表面損害。出于這個原因，一個數(shù)據(jù)性的措施去要求評估它們的性能。幾個研究抗彎強度的韋伯模數(shù)，可以用來描述加工陶瓷表面完整性。正如韋伯模數(shù)描述的破碎應力的個人價值評估。韋伯模數(shù)的高價值強度的分布區(qū)域，和有助于使材料擁有一個性能的同質(zhì)性次數(shù)。然而低的韋伯模數(shù)表明了強度控制碎片尺寸的分布是寬的，這使在最終的加工中影響了表面損害。因此，在這項研究中超聲波加工陶瓷制品，韋伯模數(shù)被用作為表現(xiàn)參數(shù)的特性。
圖十一
長為3MM,寬為4MM,高位46MM的試件準備從燒結磁盤的破碎應力的方法。。這可以很好地解釋橫向裂紋斷裂模型，三點彎曲模式被用來衡量10毫米的跨度晶須分享空載，橫0.5毫米/分鐘的速度。表面忍受拉伸通過矩陣傳播。超聲波加工三分鐘對拉伸應力的表面。從每一種合成物中的十個樣本的最小值被測試。強度然后被分析被兩個韋伯分布參數(shù)。圖11顯示了超聲波陶瓷復合材料的韋伯強度分布。顯示出：晶須復合材料被表面有高的韋伯模數(shù)相對于其他材料。韋伯模數(shù)的超聲波加工陶瓷標本是在12.4-17.1范圍，并具有高斷裂韌性的復合材料具有較高的韋伯模數(shù)。超聲波加工陶瓷復合材料的強度分布（或高的韋伯模量）的范圍較窄，表明有小加工陶瓷表面強度限制賠償。圖12顯示的A12O3/TiB2和A12O3/TiC陶瓷復合材料的超聲波加工表面的。他們表現(xiàn)出相對光滑的表面，產(chǎn)生不規(guī)則斷裂損傷，不能清楚地觀察到，加工表面上沒有明顯的裂縫。
圖十二
4.結論
1.在符合MRR上彎曲強度非常重要和在氧化鋁基陶瓷復合材料在USM上的表面強度。由于表面強度的增加，在MRR上和表面強度上所減少。
2.在材料去除率晶須增強陶瓷復合材料，模為特征的材料去除率和表面粗糙度參數(shù)取決于超聲波加工陶瓷晶須取向，表面完整性和表面上隨在這項研究中的復合材料。對于角度為0的表面，三點彎曲模式被用來衡量很少或沒有晶須增韌發(fā)生在橫梁的抗彎強度超過10毫米的跨度晶須分載，橫向裂縫可以隨時0.5毫米/分鐘的速度。表面承受拉伸通過矩陣傳播。而當角度為90的表面，在優(yōu)先抵抗碎裂上，橋接晶須使壓力消失。
3.通過USM示范了氧化鋁基的強度分布的研究超聲波抗折強度超聲波強度分布，看到晶須增強復合材料表明具有高斷裂韌性的復合材料工加工氧化鋁基陶瓷復合材料。從平均值，它可以是標本不同狹窄較高的韋伯模數(shù)比粒子表現(xiàn)出較高的韋伯模數(shù)。
致謝
本文中所描述的這項工作已經(jīng)得到了香港研究局，中國（香港理工大學5173/97E）
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