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耐磨钢管：氧化锆陶瓷磨削表面质量仿真与实验研究

随着科学技术的不断发展，工程陶瓷在车辆、航空航天、军用设备和光学仪器等领域应用越来越广泛[]，而且对零件表面质量要求较高。由于陶瓷的硬脆特性，磨削时材料的去除方式宏观上表现为脆性去除，很难获得的加工表面质量。因此，傅玉灿等采用磨粒有序排布的砂轮及其精细的修整工艺实现单颗磨粒切厚均匀化，使得每颗磨粒都处于脆性材料的延性加工状态，从而实现脆性材料的延性域磨削[2]。Xie J等研究了微米级磨粒几何参数对延性域磨削的影响，提出通过控制磨粒几何参数并结合粗磨粒金刚石砂轮以实现硬脆材料的镜面加工方法[3]。仇中军等发明了硬脆材料磨削脆-延转化临界切削深度确定方法和装置[4]。Chen J B等进行了硬脆材料椭圆超声波辅助磨削脆-韧转换行为的理论研究，提出基于能量来预测临界未变形切屑厚度的新方法[5]。Li C H等提出了半延展性磨削模型[6]。也有研究在小磨屑厚度下，采用高砂轮线速度和优粒度组合的超级磨料，来实现硬脆材料的高质加工[7-9]。这些新工艺的出现，为产品的开发提供了技术支持。开展工程陶瓷超精密磨削表面质量的研究，将为产品设计、佳磨削工艺参数的选择提供科学依据。以氧化锆陶瓷为研究对象，通过高速磨削仿真与实验，对比分析了工程陶瓷材料的去除机理及磨削参数对加工表面质量的影响。

有限元仿真模型的建立 单颗磨粒磨削有限元模型如图所示。磨粒的几何形状是一个高3 μm，半径5 μm，顶锥角20°的理想椎体，定义为刚体，采用3-结点应变-热耦合三角型单元(CPE3T)。工件是60 μm×60 μm×80 μm的长方体，细化后的工件网格尺寸为0. μm×0. μm，采用4-结点应变-热耦合四边形有限元单元(CPE4RT)，采用降阶积分和二次计算精度，relax stiffness型沙漏控制。基于单颗金刚石磨粒磨削氧化锆陶瓷时的材料特性及非线性行为，本文使用Drucker-Prager模型来建立氧化锆陶瓷的材料模型。