Si3N4陶瓷旋轉(zhuǎn)超聲磨削表面摩擦磨損特性研究.pdf

1、Si3N4陶瓷具有較高的工作溫度和力學(xué)強(qiáng)度，同時(shí)具有優(yōu)良的物理和化學(xué)性能，是航空航天動(dòng)力系統(tǒng)零部件研制最有前途的材料之一。但是，Si3N4陶瓷材料由于硬度大，斷裂韌性值小，傳統(tǒng)磨削加工效率低，刀具磨損嚴(yán)重。旋轉(zhuǎn)超聲磨削加工具有切削力小、加工效率高等特點(diǎn)，逐漸被應(yīng)用于Si3N4陶瓷零部件加工。Si3N4陶瓷零部件常常工作在特殊工況下，且零部件之間相互接觸并發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，其表面摩擦磨損行為直接影響陶瓷零部件工作可靠性和使用壽命。摩擦磨損行為

2、是零部件加工表面發(fā)生的一系列物理或化學(xué)過程，與加工表面特征緊密相關(guān)。因此本文以Si3N4陶瓷旋轉(zhuǎn)超聲磨削加工為對(duì)象，采用理論分析、數(shù)學(xué)模型建立與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的研究方法，研究其表面典型工況下摩擦磨損性能，揭示Si3N4陶瓷旋轉(zhuǎn)超聲磨削加工表面摩擦磨損行為產(chǎn)生機(jī)理及變化規(guī)律。通過本課題研究，對(duì)于提高Si3N4陶瓷零部件在航空航天動(dòng)力系統(tǒng)中工作可靠性和使用壽命具有重要指導(dǎo)意義。
　　本文首先分析了結(jié)構(gòu)陶瓷摩擦過程中接觸及力學(xué)關(guān)系，根據(jù)接觸

3、特點(diǎn)和材料特性，基于分形理論，提出接觸面總載荷應(yīng)包括彈性變形載荷、塑性變形載荷和微觀裂紋開裂載荷，并推導(dǎo)出其理論分析計(jì)算公式，在此基礎(chǔ)上建立了結(jié)構(gòu)陶瓷摩擦因數(shù)分形模型。通過分析得出當(dāng)初始表面輪廓分形維數(shù)分別為1.4、1.45、1.5和1.55時(shí)，分析結(jié)果表明摩擦因數(shù)與摩擦后表面輪廓分形維數(shù)呈類似正態(tài)分布曲線。同時(shí)，基于彈塑性力學(xué)和壓痕斷裂力學(xué)建立了Si3N4陶瓷彈塑性磨損、脆性斷裂磨損和磨粒磨損等三種典型磨損形式數(shù)學(xué)模型。在Si3N4陶

4、瓷材料表面處于彈塑性磨損階段，材料加工表面的實(shí)際接觸面積與載荷的關(guān)系取決于表面輪廓曲線和接觸狀態(tài)；摩擦磨損過程中，材料內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)包括布西內(nèi)斯克場(chǎng)、賽路蒂場(chǎng)和殘余組元壓痕應(yīng)力場(chǎng)，當(dāng)裂紋系統(tǒng)中裂紋尖端所承受的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度大于臨界應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度，裂紋將產(chǎn)生并擴(kuò)展，即發(fā)生了脆性斷裂磨損；磨粒磨損時(shí)，材料表面的摩擦磨損受力與磨粒運(yùn)動(dòng)方式有關(guān)，不同的磨粒運(yùn)動(dòng)方式，磨粒對(duì)接觸區(qū)域材料的磨損效果不同。
　　設(shè)計(jì)了不同溫度、施加載荷和往復(fù)頻率的均勻?qū)嶒?yàn)表

5、，以旋轉(zhuǎn)超聲磨削加工的Si3N4陶瓷試樣面面接觸摩擦為對(duì)象，開展了摩擦磨損實(shí)驗(yàn)。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果研究了摩擦后陶瓷材料表面微觀形貌和摩擦因數(shù)變化規(guī)律，分析了各因素對(duì)摩擦因數(shù)的影響。結(jié)果表明：微觀裂紋產(chǎn)生是Si3N4陶瓷摩擦后表面微觀形貌的顯著特點(diǎn)，且由于微觀裂紋的存在，造成摩擦后表面形貌分形維數(shù)大于初始表面分形維數(shù)值2.52；摩擦因數(shù)隨時(shí)間變化規(guī)律為先增大，后減小并趨于穩(wěn)定；且相對(duì)于普通磨削加工，旋轉(zhuǎn)超聲磨削加工的Si3N4陶瓷試樣摩擦因數(shù)較

6、大；溫度值等于160°C是Si3N4陶瓷摩擦因數(shù)由下降轉(zhuǎn)為上升的拐點(diǎn)；當(dāng)施加載荷為360N和往復(fù)頻率為80Hz時(shí)，摩擦因數(shù)最大。
　　通過對(duì)Si3N4陶瓷在一定溫度條件下面面接觸摩擦所形成的表面進(jìn)行觀察與能譜分析，研究Si3N4陶瓷旋轉(zhuǎn)超聲磨削加工表面磨損形式及產(chǎn)生機(jī)理，并分析不同摩擦條件下磨損表面幅度參數(shù)變化規(guī)律。得出Si3N4陶瓷旋轉(zhuǎn)超聲磨削加工表面磨損形式主要有磨粒磨損、剝落磨損、斷裂磨損和氧化磨損，其中剝落磨損和斷裂磨損的