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河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院
本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（英文翻譯）
題目：Ultrasonic machining of alumina-based ceramic composites
院系：機(jī)械與動(dòng)力工程系
班級(jí)：
姓名：
學(xué)號(hào)：
指導(dǎo)教師 ：
氧化鋁基陶瓷復(fù)合材料的超聲波加工
鄧建新，李泰春
歐洲陶瓷學(xué)會(huì)雜志22（2002年）1235年至1241年
機(jī)械工程系部，山東大學(xué)，濟(jì)南，山東省，郵編250061紅磡，九龍，香港，中國，香港理工大學(xué)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(fù)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(xiàng)研究中，對(duì)在氧化鋁基陶瓷復(fù)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(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行了研究。超聲波加工標(biāo)本的強(qiáng)度分布被用來評(píng)價(jià)表面完整性。結(jié)果表明，陶瓷復(fù)合材料的斷裂韌性，在對(duì)MRR上發(fā)揮了重要作用。 USM的晶須增強(qiáng)氧化鋁復(fù)合材料，材料去除率（MRR)取決于晶須取向。氧化鋁基陶瓷復(fù)合材料的強(qiáng)度分布的研究加工通過USM示范，從狹義的撓曲強(qiáng)度平均值，并具有高斷裂韌性復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度變化表現(xiàn)出較高的韋伯模數(shù)。 2002ELSEVIER科學(xué)有限公司保留所有權(quán)利。
關(guān)鍵詞：氧化鋁;復(fù)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(diǎn)，如高硬度，缺乏延伸的，低的耐冷熱沖擊，往往導(dǎo)致低的材料去除率（MRR），相對(duì)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(guān)于可是否進(jìn)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(qiáng)烈的電火花加工和激光加工依靠熱切割機(jī)制，通常會(huì)導(dǎo)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(dǎo)率是多少。
陶瓷材料的USM被移除主要通過研磨顆粒反復(fù)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(rèn)為導(dǎo)致彈性/塑性斷裂的堅(jiān)硬和鋒利的顆粒材料。這種類型破碎的主要特點(diǎn)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(kuò)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(rèn)為主要是當(dāng)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(qiáng)度。由于橫向和平行裂縫的形成和傳播雖然是密切相關(guān)工件材料的材料參數(shù)。材料去除率，表面完整性，殘余強(qiáng)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(xiàng)研究中，在對(duì)氧化鋁基陶瓷復(fù)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(jié)構(gòu)的影響進(jìn)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(jié)構(gòu)的研究。表面完整性通過測量其抗彎強(qiáng)度，并確定其分布進(jìn)行了評(píng)估。其目的是為氧化鋁基陶瓷復(fù)合材料的材料去除率和表面完整性的性質(zhì)和微觀結(jié)構(gòu)的影響在USM上。
2.材料與實(shí)驗(yàn)過程
2.1氧化鋁基陶瓷復(fù)合材料的制備與表征
在本次調(diào)查所用的材料是幾個(gè)熱壓氧化鋁基陶瓷復(fù)合材料，由作者提供了一個(gè)合理的力學(xué)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(qiáng)陶瓷復(fù)合材料，Al2O3/SiCw是晶須增強(qiáng)復(fù)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(zhǔn)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(jié)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(jié)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(qiáng)度和斷裂韌性的測量。三點(diǎn)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(qiáng)度。斷裂韌性測定壓痕微骨折技術(shù)。五個(gè)試樣的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，并在表1所列。
圖一
圖1所示A12O3/Tic陶瓷復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)，標(biāo)本蝕刻使用的磷酸熱解。在這種結(jié)構(gòu)中，白色的階段形成鮮明對(duì)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(gè)第二階段結(jié)塊或矩陣豐富的地區(qū)。光學(xué)顯微鏡的拋光表面是為了 Al2O3/SiCw 的制備復(fù)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(yàn)
超聲波加工試驗(yàn)進(jìn)行了使用J93025機(jī)床（中國制造）。超聲波機(jī)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(hào)，其中有一個(gè)功率為250瓦和16-25千赫的頻率。與機(jī)械振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)相同的頻率磁致伸縮鎳棧的傳感器。放大信號(hào)和傳輸工具。單泵提供壓力下工作的壓強(qiáng)。磨料是80砂礫碳化硼粉末。表2列出了機(jī)床的規(guī)格和測試條件。MRR是被計(jì)算的計(jì)算除以加工時(shí)間刪除音量，和在用mm3/min表示。上talysurf10系統(tǒng)進(jìn)行了加工標(biāo)本的表面粗糙度測量。通過掃描電子顯微鏡（SEM）觀察陶瓷復(fù)合材料的加工表面的微觀結(jié)構(gòu)。
圖三
3.結(jié)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(gè)小幅度的超聲波頻率，材料反復(fù)沖擊的陶瓷表面上的磨粒去除。粒子撞擊的材料去除被認(rèn)為主要是由表面的破碎發(fā)生時(shí)，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(xué)。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(cè)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(gè)顆粒材料沖擊力，從一個(gè)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(fù)合材料。外加面垂直于熱強(qiáng)烈的方向晶須增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料（A12O3/SiCwA12O3/TiB2/SiCw）被選為加工表面。可以看出，斷裂韌性對(duì)MRR的發(fā)揮重要的作用。復(fù)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(qiáng)陶瓷復(fù)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(fù)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(shí)間（或減少M(fèi)RR的）。
圖四
圖五
圖5顯示了在USM的這些氧化鋁基陶瓷復(fù)合材料的表面粗糙度。由此可以看出，有一個(gè)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(bào)于若干單相的陶瓷制品中。
3.2微觀結(jié)構(gòu)對(duì)材料去除率和表面粗糙度
熱壓晶須增強(qiáng)陶瓷復(fù)合材料的誘導(dǎo)晶須分布的各向異性導(dǎo)致的力學(xué)性能和成果.，因?yàn)橐蕾噺?fù)合的方向，這種復(fù)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(fù)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(guān)。晶須很明顯，對(duì)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(jìn)行了觀察。 當(dāng)角度為90表面有最小的材料去除率，并當(dāng)角度為0時(shí)，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(fù)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?，?dāng)角度為90表面展示每個(gè)復(fù)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(dāng)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(fù)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?yàn)闄M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(yīng)用應(yīng)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(dāng)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(kuò)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(zhuǎn)增韌的幫助。例如，當(dāng)晶須平面和橫向裂紋擴(kuò)展方向之間的方向角y是從0變化到當(dāng)角度為90 ，當(dāng)角度為45（圖8b），裂紋擴(kuò)展方向是不正常的晶須平行。在這種情況下，胡須實(shí)驗(yàn)拉伸和彎曲應(yīng)力，并有增加的可能性，因?yàn)楹毜膹澢ы殧嗔?。?dāng)角度為 90時(shí)，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(yīng)力。彌合晶須施加在裂紋尖端應(yīng)力，主要承重元素和抵抗裂紋擴(kuò)展的。因此，當(dāng)角度為 90，胡須可以被加載到一個(gè)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(dāng)角度為 90時(shí)的顯微圖片為圖10。當(dāng)對(duì)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(fù)合材料的表面完整性
陶瓷材料的強(qiáng)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(dǎo)致強(qiáng)度發(fā)生大的變化。斷口分析表明，負(fù)責(zé)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(jī)械處理過程中發(fā)生。這表面上的加工損傷限制的強(qiáng)度，根據(jù)壓力觀察到斷裂強(qiáng)度相同的材料不同標(biāo)本之間的差別很大。這是很常見的發(fā)現(xiàn)因?yàn)樗扑閼?yīng)力的強(qiáng)度分布，這部分是由于隨機(jī)分布的表面損害。出于這個(gè)原因，一個(gè)數(shù)據(jù)性的措施去要求評(píng)估它們的性能。幾個(gè)研究抗彎強(qiáng)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(yīng)力的個(gè)人價(jià)值評(píng)估。韋伯模數(shù)的高價(jià)值強(qiáng)度的分布區(qū)域，和有助于使材料擁有一個(gè)性能的同質(zhì)性次數(shù)。然而低的韋伯模數(shù)表明了強(qiáng)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(xiàng)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(zhǔn)備從燒結(jié)磁盤的破碎應(yīng)力的方法。。這可以很好地解釋橫向裂紋斷裂模型，三點(diǎn)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(duì)拉伸應(yīng)力的表面。從每一種合成物中的十個(gè)樣本的最小值被測試。強(qiáng)度然后被分析被兩個(gè)韋伯分布參數(shù)。圖11顯示了超聲波陶瓷復(fù)合材料的韋伯強(qiáng)度分布。顯示出：晶須復(fù)合材料被表面有高的韋伯模數(shù)相對(duì)于其他材料。韋伯模數(shù)的超聲波加工陶瓷標(biāo)本是在12.4-17.1范圍，并具有高斷裂韌性的復(fù)合材料具有較高的韋伯模數(shù)。超聲波加工陶瓷復(fù)合材料的強(qiáng)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(qiáng)度限制賠償。圖12顯示的A12O3/TiB2和A12O3/TiC陶瓷復(fù)合材料的超聲波加工表面的。他們表現(xiàn)出相對(duì)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(jié)論
1.在符合MRR上彎曲強(qiáng)度非常重要和在氧化鋁基陶瓷復(fù)合材料在USM上的表面強(qiáng)度。由于表面強(qiáng)度的增加，在MRR上和表面強(qiáng)度上所減少。
2.在材料去除率晶須增強(qiáng)陶瓷復(fù)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(xiàng)研究中的復(fù)合材料。對(duì)于角度為0的表面，三點(diǎn)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(qiáng)度超過10毫米的跨度晶須分載，橫向裂縫可以隨時(shí)0.5毫米/分鐘的速度。表面承受拉伸通過矩陣傳播。而當(dāng)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(qiáng)度分布的研究超聲波抗折強(qiáng)度超聲波強(qiáng)度分布，看到晶須增強(qiáng)復(fù)合材料表明具有高斷裂韌性的復(fù)合材料工加工氧化鋁基陶瓷復(fù)合材料。從平均值，它可以是標(biāo)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(xiàng)工作已經(jīng)得到了香港研究局，中國（香港理工大學(xué)5173/97E）
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