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強度，同時具有優(yōu)良的物理和化學性能，是航空航天動力系統(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，刀具磨損嚴重。旋轉(zhuǎn)超聲磨削加工具有切削力小、加工效率高等特點，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)生相對運動，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)超聲磨削加工為對象，采用理論分析、數(shù)學模型建立與實驗相結(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)生機理及變化規(guī)律。通過本課題研究，對于提高Si3N4陶瓷零部件在航空航天動力系統(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關(guān)系，根據(jù)接觸

3、特點和材料特性，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。通過分析得出當初始表面輪廓分形維數(shù)分別為1.4、1.45、1.5和1.55時，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，基于彈塑性力學和壓痕斷裂力學建立了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)力場包括布西內(nèi)斯克場、賽路蒂場和殘余組元壓痕應(yīng)力場，當裂紋系統(tǒng)中裂紋尖端所承受的應(yīng)力場強度大于臨界應(yīng)力場強度，裂紋將產(chǎn)生并擴展，即發(fā)生了脆性斷裂磨損；磨粒磨損時，材料表面的摩擦磨損受力與磨粒運動方式有關(guān)，不同的磨粒運動方式，磨粒對接觸區(qū)域材料的磨損效果不同。
　　設(shè)計了不同溫度、施加載荷和往復(fù)頻率的均勻?qū)嶒灡?/p>

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象，開展了摩擦磨損實驗。通過實驗結(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，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)隨時間變化規(guī)律為先增大，后減小并趨于穩(wěn)定；且相對于普通磨削加工，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；當施加載荷為360N和往復(fù)頻率為80Hz時，摩擦因數(shù)最大。
　　通過對Si3N4陶瓷在一定溫度條件下面面接觸摩擦所形成的表面進行觀察與能譜分析，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