陶瓷生坯邊位壓裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展規(guī)律

陳思源，劉亞運(yùn)，朱琦，江鎰志，劉云龍，時(shí)永康

蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院

1 引言

由于陶瓷本身具有耐磨性、抗熱震性和化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)越性能，工程陶瓷在發(fā)動(dòng)機(jī)、電子元器件和切削刀具等領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1，2]。但是，陶瓷優(yōu)越的物理力學(xué)性能也限制了其機(jī)械加工能力，導(dǎo)致加工效率較低、經(jīng)濟(jì)性較差、加工質(zhì)量難以保證和加工輪廓具有一定局限性[3，4]。為解決這些問(wèn)題，一些特殊加工方法被應(yīng)用于燒結(jié)陶瓷加工中，如激光束加工、刻蝕技術(shù)和超聲波加工技術(shù)等[5-7]，但在燒結(jié)陶瓷加工過(guò)程中，容易產(chǎn)生坯體裂紋和應(yīng)力集中等加工缺陷[8]。

為了克服燒結(jié)陶瓷加工缺陷等一系列問(wèn)題，陶瓷生坯加工技術(shù)被應(yīng)用于復(fù)雜陶瓷零件制備成型中。Liu Y.Y.等[9]利用刀具表面織構(gòu)技術(shù)改善刀—工之間的摩擦特性，實(shí)現(xiàn)了刀具的有效減磨，提升了陶瓷生坯加工表面質(zhì)量。由于陶瓷生胚加工過(guò)程中刀具磨損小，加工效率和經(jīng)濟(jì)效率高，陶瓷生胚加工逐漸成為燒結(jié)陶瓷加工的可替代工藝方法。Dadhich P.等[10]結(jié)合傳統(tǒng)加工和激光加工方法微細(xì)加工氧化鋁陶瓷生坯，得到了高質(zhì)量加工表面。Yin L.等[11]利用CNC加工氧化鋁陶瓷生坯，通過(guò)優(yōu)化加工工藝獲得了加工精度及邊緣質(zhì)量較好的加工坯體。目前，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究主要集中在工藝參數(shù)和加工刀具對(duì)加工質(zhì)量和生坯機(jī)械加工性的影響，陶瓷生坯材料去除及切屑、加工表面形成機(jī)理的研究還不夠深入。

陶瓷生坯是主要以顆粒之間機(jī)械嚙合和黏結(jié)劑粘接等連接方式形成的非連續(xù)性材料，與燒結(jié)陶瓷相比強(qiáng)度較低，其加工機(jī)理異于燒結(jié)陶瓷等硬脆材料和金屬等塑性材料。由于陶瓷生坯加工過(guò)程中的材料去除及切屑、加工表面形成機(jī)理對(duì)加工質(zhì)量至關(guān)重要，因此采用邊緣位壓方法研究陶瓷生坯加工過(guò)程中的裂紋產(chǎn)生、擴(kuò)展規(guī)律及其切屑形成機(jī)理。

2 試驗(yàn)方案

2.1 Al2O3陶瓷生坯制備與表征

采用冷等靜壓成型技術(shù)將造粒粉壓制成型，造粒粉為商用煅燒氧化鋁粉體，具體成分見(jiàn)表1。陶瓷顆粒尺寸為1～2μm，黏結(jié)劑為石蠟。經(jīng)過(guò)優(yōu)化的壓制工藝如下：最高成型壓力為110MPa，均勻升壓40s到達(dá)最高成型壓力，然后保壓15s，后勻速卸載40s，壓制出塊狀生坯體。經(jīng)過(guò)砂紙拋光至尺寸10mm×10mm×6mm，表面粗糙度Ra=0.2μm左右。

表1 陶瓷生坯化學(xué)成分 (%)

利用阿基米德排油法測(cè)得所制備陶瓷生坯的平均密度為2.18g/cm3，抗彎強(qiáng)度為2.3±0.1MPa，可以看到制備出的陶瓷生坯完全滿足陶瓷生坯機(jī)械加工的最小臨界值2MPa，能夠承受切削力和機(jī)床振動(dòng)[12]。Al2O3陶瓷生坯表面形貌見(jiàn)圖1，可以清楚看到完整的造粒球團(tuán)聚物(見(jiàn)圖1b)；在圖1c中可以看到，破碎的造粒球中內(nèi)部顆粒主要靠范德華力、顆粒間的靜電引力及機(jī)械糾纏力聚集在一起，在造粒球之間主要靠黏結(jié)劑所產(chǎn)生的黏結(jié)力團(tuán)聚在一起。

(a)生坯拋光表面 (b)造粒球形貌

2.2 邊緣位壓試驗(yàn)

在UMT-2試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行邊緣位壓試驗(yàn)(見(jiàn)圖2)，印壓刀具采用高速鋼材料，試驗(yàn)前對(duì)壓頭進(jìn)行研磨拋光處理，使其表面粗糙度Ra<0.1μm。壓頭下壓速度v采用0.1mm/s，0.4mm/s和0.7mm/s，印壓寬度ap分別采用0.5mm，1.0mm，1.5mm和2.0mm，印壓刀具楔角分別為25°，35°，45°，65°和85°，試驗(yàn)印壓過(guò)程中利用高速攝像機(jī)實(shí)時(shí)記錄裂紋產(chǎn)生、擴(kuò)展和切屑成型過(guò)程以及壓力特征曲線。

圖2 生坯邊緣位壓試驗(yàn)

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 裂紋產(chǎn)生及擴(kuò)展過(guò)程

圖3為楔角25°、印壓速度0.1mm/s時(shí)不同印壓寬度下印壓載荷F隨時(shí)間的變化曲線?？梢钥吹剑S著壓頭的不斷下壓，印壓載荷不斷增大，且載荷出現(xiàn)了不同程度的波動(dòng)，印壓寬度越大，波動(dòng)越明顯。當(dāng)載荷增加到一定程度后，載荷出現(xiàn)小幅下降后又繼續(xù)增加，其原因在于當(dāng)位壓刀具剛壓入陶瓷生坯表面時(shí)，裂紋沒(méi)有立刻產(chǎn)生，隨著壓頭繼續(xù)下降，裂紋隨之產(chǎn)生，印壓寬度為1.0mm和1.5mm時(shí)，產(chǎn)生裂紋時(shí)對(duì)應(yīng)的載荷分別為0.355N和0.33N。然而，在印壓寬度為0.5mm時(shí)，印壓載荷變化曲線沒(méi)有出現(xiàn)明顯的臨界值，說(shuō)明在試驗(yàn)范圍內(nèi)裂紋產(chǎn)生的臨界載荷變化不大。

圖3 不同印壓寬度的印壓載荷變化(φ=25°)

圖4為不同印壓時(shí)刻的裂紋擴(kuò)展情況?？梢钥吹剑旱毒呦聣杭s0.1mm后裂紋開(kāi)始逐步產(chǎn)生，且裂紋產(chǎn)生后快速擴(kuò)展；下壓距離在0.2mm之內(nèi)時(shí)，裂紋擴(kuò)展路線基本呈直線，而后裂紋擴(kuò)展路線沿著圓弧擴(kuò)展到陶瓷生坯表面，最終形成切屑，這種特點(diǎn)既不同于玻璃試件直線裂紋擴(kuò)展路徑，也不同于石墨的圓弧擴(kuò)展路徑。

圖4 不同印壓時(shí)刻的裂紋擴(kuò)展情況φ=45°，ap=1.0mm和v=0.1mm/s

從圖4a～圖4c可以看到，裂紋擴(kuò)展速度逐漸增大。當(dāng)裂紋產(chǎn)生后，印壓刀具存在一定的卸載，隨著刀具繼續(xù)下壓，下壓刀具與未剝落的切屑再次擠壓，導(dǎo)致載荷明顯增大，在刀—屑接觸區(qū)出現(xiàn)壓潰現(xiàn)象(見(jiàn)圖4e)；當(dāng)下壓刀具繼續(xù)下壓時(shí)，刀具會(huì)對(duì)不規(guī)整未剝落區(qū)域進(jìn)行再次切削(見(jiàn)圖4e和圖4f)，這和圖3印壓載荷的變化特征相吻合；當(dāng)壓力達(dá)到一定值時(shí)，坯體產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致載荷卸載減小(見(jiàn)圖3b和圖3c)，繼續(xù)下壓后，又會(huì)產(chǎn)生壓潰或切削現(xiàn)象，導(dǎo)致下壓載荷繼續(xù)增加。

3.2 下壓刀具楔角對(duì)裂紋擴(kuò)展影響

圖5為下壓刀具楔角對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響規(guī)律，可以看到楔角對(duì)裂紋擴(kuò)展路徑影響較大。當(dāng)楔角較小時(shí)，裂紋擴(kuò)展路徑基本為圓弧狀；隨著楔角的增大，擴(kuò)展路徑先沿直線擴(kuò)展后沿圓弧擴(kuò)展到表面，最終形成切屑。

圖5 不同楔角的裂紋擴(kuò)展規(guī)律

將裂紋起始位置與擴(kuò)展到表面位置的垂直長(zhǎng)度定義為切屑長(zhǎng)度，當(dāng)楔角φ≤45°時(shí)，隨著楔角的增加，切屑基本呈勻速增加；當(dāng)楔角φ=65°時(shí)，切屑長(zhǎng)度突然快速增大(見(jiàn)圖6)，這與刀—工接觸面積增大有一定關(guān)系，隨著接觸面積增大，切屑區(qū)域受到的力隨之增加，而且會(huì)出現(xiàn)下壓刀具壓潰切屑區(qū)域材料的現(xiàn)象，促使裂紋快速擴(kuò)展；當(dāng)楔角繼續(xù)增大后，切屑長(zhǎng)度增速繼續(xù)放緩，壓潰現(xiàn)象更加明顯。隨著壓頭繼續(xù)下壓，下壓刀具也會(huì)對(duì)裂紋擴(kuò)展路徑中未剝落的材料進(jìn)行二次切削，使加工表面更加平滑，這與圖3中下壓載荷的波動(dòng)也有一定關(guān)系。

圖6 楔角與切屑長(zhǎng)度關(guān)系

3.3 印壓寬度與裂紋擴(kuò)展的規(guī)律

圖7為楔角為25°時(shí)不同印壓寬度對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響規(guī)律。

(a)0.5mm

可以看到，裂紋基本沿著圓弧擴(kuò)展，最終形成切屑，這與圖5中楔角對(duì)裂紋影響規(guī)律有一定區(qū)別。隨著印壓寬度的增加，裂紋擴(kuò)展圓弧曲率也隨之增加。但當(dāng)印壓寬度為0.5mm時(shí)，未產(chǎn)生清晰的可見(jiàn)裂紋，材料存在壓碎現(xiàn)象，這與圖3a中較小印壓寬度在印壓刀具接觸到生坯后無(wú)明顯的載荷波動(dòng)一致。在印壓寬度較大時(shí)，由于裂紋的產(chǎn)生，載荷存在一定的減小波動(dòng)。

圖8為印壓寬度對(duì)切屑長(zhǎng)度的影響及其比例關(guān)系，隨著印壓寬度的增大，切屑長(zhǎng)度也隨之增大，但增長(zhǎng)率逐漸減小。切屑長(zhǎng)度與印壓寬度的比例關(guān)系剛開(kāi)始隨著印壓寬度的增大而增大，在印壓寬度達(dá)到1.5mm后，其比例基本維持在1.6左右，這說(shuō)明印壓寬度與切屑長(zhǎng)度和印壓寬度的比例存在一定關(guān)系，與切屑成型密切相關(guān)。在較大印壓寬度時(shí)(相當(dāng)于切削過(guò)程中的背吃刀量)，可以通過(guò)其比例關(guān)系直接得到相對(duì)應(yīng)的切屑尺寸。

圖8 切屑寬度與切屑長(zhǎng)度及比例之間關(guān)系

從以上試驗(yàn)可以得到陶瓷生坯的裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展規(guī)律，由于邊緣位壓試驗(yàn)可以看作正交切削的另一種形式[13]，也可以在一定程度上表示切屑的成型過(guò)程。在印壓試驗(yàn)中，印壓寬度與背吃刀量、印壓速度與切削厚度、印壓楔角與刀具前角相對(duì)應(yīng)，試驗(yàn)結(jié)果也體現(xiàn)了切削參數(shù)與刀具參數(shù)對(duì)裂紋擴(kuò)展及切屑成型的影響特點(diǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

利用冷等靜壓成型技術(shù)制備出氧化鋁陶瓷生坯，通過(guò)邊緣位壓試驗(yàn)得到切屑成型、裂紋形成及擴(kuò)展規(guī)律。

(1)位壓載荷到達(dá)一定臨界值時(shí)，裂紋產(chǎn)生并沿著相應(yīng)路徑擴(kuò)展，最終形成切屑。在較小位壓寬度時(shí)，切屑形成主要是壓碎方式，載荷波動(dòng)相對(duì)較??；在較大位壓寬度時(shí)，切屑形成以裂紋擴(kuò)展而形成的大塊切屑為主，載荷出現(xiàn)有規(guī)律的波動(dòng)現(xiàn)象。

(2)裂紋擴(kuò)展路徑受到刀具楔角和印壓厚度的影響。在較小刀具楔角時(shí)(φ≤35°)，裂紋主要沿著圓弧擴(kuò)展；當(dāng)?shù)毒咝ń窃龃髸r(shí)(φ≥45°)，裂紋擴(kuò)展路徑先沿直線擴(kuò)展后沿圓弧擴(kuò)展到表面；在不同的印壓厚度下，裂紋基本沿著圓弧狀擴(kuò)展。

(3)切屑長(zhǎng)度隨著印壓寬度的增大逐漸增大。當(dāng)印壓寬度≥1.5mm時(shí)，切屑長(zhǎng)度與印壓寬度的比例關(guān)系基本維持在1.6左右，說(shuō)明印壓寬度與切屑長(zhǎng)度和印壓寬度的比例存在一定關(guān)系。