用新型杯形金刚石砂轮加工陶瓷的磨粒效率和表面粗糙度GydF4y2Ba

Nguyen TienDong, Koji Matsumaru, Masakazu Takatsu和Kozo IshizakiGydF4y2Ba

版权AD-TECH;被许可人AZoM.com私人有限公司GydF4y2Ba
这是一篇AZo开放获取奖励系统(AZo- oars)的文章，在AZo- oars的条款下分发GydF4y2Ba//www.wireless-io.com/oars.aspGydF4y2Ba在适当引用原著的情况下，允许不受限制地使用，但仅限于非商业性传播和复制。GydF4y2Ba
AZojomo (ISSN 1833-122X)第6卷2010年11月GydF4y2Ba

主题GydF4y2Ba

摘要GydF4y2Ba
关键词GydF4y2Ba
介绍GydF4y2Ba
实验的GydF4y2Ba
新研制的六角形杯形金刚石砂轮GydF4y2Ba
研磨程序GydF4y2Ba
结果GydF4y2Ba
讨论GydF4y2Ba
结论GydF4y2Ba
致谢GydF4y2Ba
参考文献GydF4y2Ba
联系方式GydF4y2Ba

摘要GydF4y2Ba

本文以单晶蓝宝石为代表，采用新研制的六角杯形金刚石砂轮磨削难加工陶瓷材料。通过调整六角形状的尺寸和边缘厚度，控制砂轮表面金刚石颗粒的数量。磨石比，R是指含有磨粒的六角形边缘面积与车轮表面总面积之间的比率。使用了四种不同R（12.9%、19.0%、24.9%和36.0%）的六角砂轮和一种常规砂轮（R:100%）。计算每个研磨道次通过单位长度样品表面的磨粒数Ng，通过砂轮转速、工作台进给速度和R评估磨粒效率。使用研磨样品的表面粗糙度确定磨粒效率。当Ng增加时，表面粗糙度变小，即表面更光滑。使用传统砂轮磨削的表面比使用新开发的六角砂轮磨削的表面粗糙，尽管粗糙度更大。表面粗糙度数据在表面粗糙度与Ng的关系图中形成了所有六角车轮的一条曲线，而传统车轮的另一条曲线。结果表明，六角砂轮的有效工作磨粒数是普通砂轮的5倍左右。换句话说，在传统砂轮中，只有1/5的磨粒有效工作。与传统结构相比，六角结构在有效利用磨粒方面显示出优势。GydF4y2Ba

关键词GydF4y2Ba

六角结构，杯型金刚石砂轮，蓝宝石，陶瓷，磨粒效率，表面粗糙度GydF4y2Ba

介绍GydF4y2Ba

近年来，先进的陶瓷材料，如硅欧洲杯足球竞彩GydF4y2Ba_3.GydF4y2BaNGydF4y2Ba_4GydF4y2Ba或烧结铝GydF4y2Ba_2GydF4y2BaOGydF4y2Ba_3.GydF4y2Ba已应用于电子、汽车等许多工业领域。然而，这些先进陶瓷由于其硬度和脆性而难以加工，因此加工成本占总部件成本的80%或更多[1]。单晶蓝宝石已被用作白光发光二极管（LED）的衬底，在本工作中被选为代表一种难加工陶瓷材料。蓝宝石厚度及其表面粗糙度是LED制造过程中的两个重要因素。因此，为了获得光滑的表面和精确的蓝宝石衬底厚度，广泛采用金刚石砂轮磨削工艺。GydF4y2Ba

Kim等人开发了一种用于杯形砂轮的可调节力进给（RFF）磨削系统，以获得光滑的样品表面，并具有较小的亚表面损伤。在这种先进的加工中，工作台进给力由气缸系统保持恒定。另一方面，传统的磨床具有恒定的工作台进给速度。硅片和烧结铝的表面粗糙度值GydF4y2Ba_2GydF4y2BaOGydF4y2Ba_3.GydF4y2Ba对于使用RFF磨削系统的任何切削深度，切削速度几乎保持不变，对于恒定进给速度的常规磨削系统，切削速度随着切削深度的增加而增加[2,3]。GydF4y2Ba

在陶瓷材料的常规磨削过程中，通过控制砂轮速度、切削深度和工作台进给速度等磨削参数，获得光滑欧洲杯足球竞彩的磨削表面。许多研究人员报告说，高轮速、低切削深度或低工作台进给速度使磨削表面变得更光滑。这些研究使用了直型砂轮，对单粒尖端的运动学进行建模，得到切屑横截面积、扇形高度或切割的磨粒深度与表面粗糙度的关系[4-9]。然而，磨粒在砂轮表面随机分布，凸出高度不同，使砂轮表面难以获得光滑的表面。杯形砂轮比直形砂轮能更有效地磨削，获得更光滑的表面。据我们所知，目前还没有文献报道建立模型来估计磨削参数与地表之间的关系。杯型砂轮不能采用单粒尖端建模，因为表面粗糙度的控制因素，如切屑横截面积或扇形高度，与直型砂轮完全不同。这些问题从未被任何研究报告过。根据以往的研究，提高转速或降低切削深度都可以获得更光滑的表面[4-9]，但砂轮转速或切削深度受磨削样品或磨床的限制。GydF4y2Ba

在这项工作中，杯型新开发的金刚石砂轮与不同数量的磨粒在车轮表面被用来研磨蓝宝石。评估了磨粒和研磨样品表面粗糙度的影响。本文揭示了金刚石砂轮磨削加工的新机理。GydF4y2Ba

实验的GydF4y2Ba

新研制的六角形杯形金刚石砂轮GydF4y2Ba

摘要金刚石砂轮是一种新研制的六角形砂轮，它在六角形边缘上含有金刚石磨粒，在六角形内部填充无金刚石颗粒的绿色碳化硅多孔材料[10]。这些轮子的特征是六边形几何因子:六边形的尺寸，x，含有金刚石颗粒的六边形边的宽度，w，如图1所示。所有车轮的外径为250毫米，内径为80毫米。磨石比R定义为含有磨粒的六角形边缘面积与车轮总面积的比值。使用4个不同R(12.9, 19.0, 24.9, 36.0%)的砂轮和一个R为100%的常规砂轮，见表1。GydF4y2Ba

图1。GydF4y2Ba六角金刚石砂轮（外径：250 mm，内径80 mm），具有六角几何因素：六角尺寸x和边缘宽度w。金刚石磨粒仅放置在边缘宽度内。GydF4y2Ba

表1。GydF4y2Ba六角砂轮和常规砂轮的磨石比R。GydF4y2Ba

六角轮GydF4y2Ba
w /毫米GydF4y2Ba x/mmGydF4y2Ba	1.0	2.0
10GydF4y2Ba	19.0%GydF4y2Ba	36.0%GydF4y2Ba
15GydF4y2Ba	12.9%GydF4y2Ba	24.9%GydF4y2Ba
常规车轮，R 100%GydF4y2Ba

研磨程序GydF4y2Ba

图2为调力进给(RFF)磨削系统[2]的原理图。磨台由气缸系统控制，以调节恒定的工作台进给力。在本工作中，工作台进给力保持在3.8 n。真空虎钳由多孔陶瓷(NanoTEM Co. Ltd.， Nagaoka, Japan)制成，并经过加工，使真空虎钳与砂轮工作表面形成完美的平行面。样品为φ50.8 × 0.45 mm的单晶蓝宝石衬底，表面为c平面{0001}。将样品置于真空虎钳上，使方向平面<1100>垂直于送料方向，即送料方向<1200>(垂直于A面)。常规金刚石砂轮和六角形金刚石砂轮(200 #，陶瓷结合剂20重量%，NanoTEM公司，长冈，日本)。每次实验前，用动平衡仪对砂轮进行500转平衡，以减少振动。砂轮平衡后，用金刚砂(目号)对砂轮进行整形。120)磨削条件为切削深度10 μm，砂轮转速500 RPM，以获得砂轮表面的平整度。然后用金刚砂(目号)对砂轮进行修整。 120) in order to sharpen abrasive grains under conditions of 10 μm cutting depth, 500 rpm wheel rotation speed until wheel thickness reduced about 5 μm.

砂轮转速n为500、1500或3000 rpm，每道切割深度为10μm，总切割深度为200μm。在每次磨削试验之前，对砂轮进行重新修整。在修整、修整和研磨过程中，用0.5 lmin的时间将冷却水喷入砂轮和样品之间的接触区GydF4y2Ba^{－1GydF4y2Ba}流量。研磨条件如表2所示。GydF4y2Ba

图2。GydF4y2Ba调节力送料(RFF)加工系统原理图。在RFF磨床上，工作台进给力由S值不变改为气缸系统恒定GydF4y2Ba_FGydF4y2Ba就像传统机器一样。GydF4y2Ba

表2。GydF4y2Ba砂轮规格、磨削条件及样品。GydF4y2Ba

砂轮GydF4y2Ba	研磨条件GydF4y2Ba	样品GydF4y2Ba
直径:GydF4y2Ba 外,维GydF4y2BaOGydF4y2Ba250毫米GydF4y2Ba 内,维GydF4y2Ba我GydF4y2Ba80毫米GydF4y2Ba 粒度（#200），d 74μmGydF4y2Ba 粘接材料玻化GydF4y2Ba	转速:n/ rpm 500、1500、3000GydF4y2Ba 切割深度，10μmGydF4y2Ba 总切削深度200 μmGydF4y2Ba 恒定工作台进给力3.8 NGydF4y2Ba 冷却水，0.5 lminGydF4y2Ba－1GydF4y2Ba	蓝宝石材料GydF4y2Ba 直径DGydF4y2BasGydF4y2Ba50.8毫米GydF4y2Ba 厚度0.45毫米GydF4y2Ba 磨削表面:GydF4y2Ba ——C-plane {0001}GydF4y2Ba 研磨方向：GydF4y2Ba -垂直于A平面<1200>GydF4y2Ba

在此过程中，记录每个磨削道次的磨削时间，得到工作台进给速度SGydF4y2Ba_FGydF4y2Ba．试样表面粗糙度RGydF4y2Ba_A.GydF4y2Ba采用剖面仪(Surfcom3000A, Tokyo Seimitsu Co. Ltd, Tokyo, Japan)测量。R和n对R的影响GydF4y2Ba_A.GydF4y2Ba进行了评估。GydF4y2Ba

结果GydF4y2Ba

RFF加工系统保持恒定的工作台进给力，因此GydF4y2Ba_FGydF4y2Ba的值取决于砂轮的条件，如磨粒锋利度n和rGydF4y2Ba_FGydF4y2Ba可计算为：GydF4y2Ba

在维GydF4y2Ba_OGydF4y2BaDGydF4y2Ba_我GydF4y2BaDGydF4y2Ba_sGydF4y2Bat分别为砂轮外径、砂轮内径、试样直径和每道磨削所需时间。GydF4y2Ba

图3和图4显示了SGydF4y2Ba_FGydF4y2Ba和RGydF4y2Ba_A.GydF4y2Ba分别作为不同n、500、1500和3000 rpm下R的函数。对于六角车轮，在给定的n，SGydF4y2Ba_FGydF4y2Ba随着R的增加，温度降低。然而，R为100%的传统车轮具有更高的SGydF4y2Ba_FGydF4y2Ba与六角形车轮相比。对于所有的砂轮，SGydF4y2Ba_FGydF4y2Ba随着n的增加变得更快。RGydF4y2Ba_A.GydF4y2Ba随着n和R的增加而减少。然而，在给定的n下，R更高GydF4y2Ba_A.GydF4y2Ba，即较粗糙的表面由常规车轮获得。GydF4y2Ba

图3。GydF4y2BaTabel进给速度，SGydF4y2Ba_FGydF4y2Ba作为R的功能，不同的n, 500, 1500和3000 rpm。GydF4y2Ba

图4。GydF4y2Ba样品表面粗糙度，RGydF4y2Ba_A.GydF4y2Ba作为R的功能，不同的n, 500, 1500和3000 rpm。传统车轮的数据不落在六角形车轮的外推线上。GydF4y2Ba

讨论GydF4y2Ba

当R和n增加时，RGydF4y2Ba_A.GydF4y2Ba变得更小，即，光滑的六角形金刚石砂轮。然而,高RGydF4y2Ba_A.GydF4y2Ba用常规砂轮比用六角形砂轮获得的r100 %。为了找到R的控制因素GydF4y2Ba_A.GydF4y2Ba在研磨样品上，通过单位样品表面长度的磨粒数，NGydF4y2Ba_GGydF4y2Ba是评估。GydF4y2Ba

在实验中，样品在不同的n和S条件下研磨GydF4y2Ba_FGydF4y2Ba．如图5所示，样品表面上的一个点沿着车轮表面上的阿基米德螺旋运动。换句话说，开始时样本的点1移动到图5中的点2。N的值GydF4y2Ba_GGydF4y2Ba为阿基米德螺距为p的螺旋上的磨粒总数，计算为:GydF4y2Ba

L在哪里GydF4y2Ba_{一个GydF4y2Ba}是阿基米德螺旋的长度，zGydF4y2Ba_A.GydF4y2Ba传统车轮表面单位面积内的磨粒。阿基米德螺旋的螺距p计算如下：GydF4y2Ba

阿基米德螺线长度计算为:GydF4y2Ba

如果磨粒随机分布并形成面心立方结构，则虚拟单位胞中磨粒的虚拟晶格参数a计算为：GydF4y2Ba

其中d和gGydF4y2Ba_vGydF4y2Ba分别为晶粒尺寸和磨粒体积分数。晶粒度d和gGydF4y2Ba_vGydF4y2Ba分别为74 μm和0.48。GydF4y2Ba

根据式(5)，a约为120 μm，晶粒间距离gGydF4y2Ba_DGydF4y2Ba是100 μm的数量级。然而，在整形、修整或磨削过程中，砂轮表面可能会脱落一些磨粒，因此，实际的磨粒距离应为100 μm的两倍左右。通过扫描电子显微镜(SEM)观察砂轮表面晶粒间的距离，如图6所示，gd的观测值约为200 μm。常规砂轮表面单位面积内的磨粒数，zGydF4y2Ba_A.GydF4y2Ba估计为30 /mmGydF4y2Ba^2GydF4y2Ba．GydF4y2Ba

图5。GydF4y2Ba计算磨粒总数的方法为NGydF4y2Ba_GGydF4y2Ba，每个研磨道次通过一个样品表面。样品在n和S条件下研磨GydF4y2Ba_FGydF4y2Ba．样品表面的点1在开始移动到点2沿阿基米德螺距p在车轮表面。GydF4y2Ba

图6。GydF4y2Ba六角金刚石砂轮表面边缘的SEM显微照片（#200，陶瓷结合剂，重量20%，纳米材料有限公司，日本长冈）。粒距，gGydF4y2Ba_DGydF4y2Ba通过对54次测量值的平均估计，其值约为200 μm。GydF4y2Ba

图7 (a)和(b)显示了RGydF4y2Ba_A.GydF4y2Ba对Ng。当NGydF4y2Ba_GGydF4y2Ba增加，样品表面变得更光滑。常规砂轮磨削的表面比六角形砂轮磨削的表面粗糙，但磨削的N值较高GydF4y2Ba_GGydF4y2Ba. RGydF4y2Ba_A.GydF4y2Ba数据不会形成一条曲线，而是两条不同的曲线，即传统车轮的曲线（i）和六角车轮的曲线（II），如图7（a）所示。造成这种现象的可能原因是两种砂轮之间有效工作磨粒的数量不同。将五分之一乘以N的值GydF4y2Ba_GGydF4y2Ba对于常规砂轮，常规砂轮的曲线(I)与六角形砂轮的曲线(II)重叠，如图7 (b)所示。也就是说，常规砂轮中只有五分之一的磨粒有效工作。GydF4y2Ba

图7。GydF4y2Ba表面粗糙度,RGydF4y2Ba_A.GydF4y2Ba与穿过样品表面的磨粒数相比，NGydF4y2Ba_GGydF4y2Ba对于每个研磨通道。在（a）中，显示了常规车轮曲线（I）和六角车轮曲线（II）的原始数据。在（b）中，通过将五分之一乘以N值，将常规车轮的曲线（I）叠加在六角车轮的曲线（II）上GydF4y2Ba_GGydF4y2Ba对于传统车轮。GydF4y2Ba

工作磨粒是指直接作用于被磨料表面的磨粒。在砂轮表面，磨粒随机分布，凸出高度不同。大量的工作磨粒可获得更光滑的磨削表面。图8是由金刚石颗粒制成的沟槽的示意图。在传统的砂轮表面，有许多磨粒一个接一个地移动并通过磨削样品。然而，只有位于先前颗粒或突起足够高的颗粒所形成的沟槽不同位置的颗粒才能接触并形成另一个沟槽来去除磨碎的材料。其他的颗粒，位于通过之前的颗粒形成的相同槽和/或有较低的突出高度，不接触磨削表面。NGydF4y2Ba_GGydF4y2Ba包括工作和非工作颗粒。在这项工作中，RGydF4y2Ba_A.GydF4y2Ba数据对所有六边形车轮形成了一条曲线，尽管六边形尺寸不同，但对传统车轮形成了另一条曲线。由此可以得出结论，在六角形砂轮的工作范围内，六角形砂轮的有效工作磨粒数几乎都是有效工作的，而常规砂轮的有效工作磨粒数要低1/5。与常规砂轮相比，六角结构具有增加有效工作磨粒的优点。GydF4y2Ba

图8。GydF4y2Ba金刚石颗粒如何接触样品的示意图。切削颗粒形成磨削槽，大量的切削颗粒即工作磨料颗粒使磨削样品表面更光滑，使磨削样品上更多的沟槽表面更光滑。GydF4y2Ba

结论GydF4y2Ba

在本工作中，蓝宝石是由传统的和新开发的六角金刚石砂轮磨削。R定义为含有磨粒的六角形边缘面积与车轮表面总面积的比值。评价了R对样品表面粗糙度的影响。可以得出以下结论:GydF4y2Ba

1. 磨粒数是影响表面粗糙度的一个重要因素。很容易想象有更光滑的表面和更多的颗粒要通过。然而，传统的砂轮在增加工作磨粒数量方面存在一定的限制。六角形砂轮通过将磨粒分布在六角形的边缘内，以六角形的尺寸为特征，克服了传统砂轮的缺点。GydF4y2Ba
2. 只有五分之一的磨粒在传统的车轮中有效工作。GydF4y2Ba
3. 通过控制砂轮的结构，六角形砂轮可以比传统砂轮具有更光滑的表面。GydF4y2Ba

致谢GydF4y2Ba

作者们对日本政府在21日期间给予的部分支持表示感谢GydF4y2Ba^圣GydF4y2Ba教育、文化、体育、科学和技术部和日本科技厅的世纪卓越中心（COE）计划和促进年轻研究人员的独立研究环境。欧洲杯线上买球GydF4y2Ba

参考文献GydF4y2Ba

1.J. A. Kovach, P. J. Blau, S. Malkin, S. Srinivasan, B. Bandyopadhyay和K. Ziegler，“高级陶瓷高速、低损伤磨削工艺的可行性研究GydF4y2Ba^thGydF4y2Ba国际磨削会议(SME)， 1(1993)。GydF4y2Ba
2.H. Kim, K. Matsumaru, A. Takata, K. Ishizaki，“硅片和烧结铝的研磨行为”GydF4y2Ba_2GydF4y2BaOGydF4y2Ba_3.GydF4y2Ba采用恒力进给磨削系统”，中华人民大学学报(自然科学版)，5[2](2003)50-53。GydF4y2Ba
3.H.Kim，K.Matsumaru，A.Takata和K.Ishizaki，“通过调节强制进给磨削系统减少陶瓷加工缺陷”，Mat技术顾问。和垫子。过程。J.（ATM），6[2]（2004）290-297。GydF4y2Ba
4.G.Warnecke和U.Rosenberger，“高级陶瓷研磨过程中工艺参数选择的基础”，CIRP年鉴（国际生产学院），44（1995）。GydF4y2Ba
5.J.E.Mayer和G.P.Fang，“研磨参数对研磨陶瓷表面光洁度的影响”，CIRP年鉴（国际生产学院），44（1995）。GydF4y2Ba
6.E.C.Bianchi，P.R.Aguiar，E.J.da Silva，C.E.da Silva和C.A.Fortulan，“高级陶瓷，地面评估”，Ceramica，49（2003）174-177。GydF4y2Ba
7.S. Malkin，“磨削技术理论与应用与磨料加工”，Ellis Horwood有限公司出版，英国奇切斯特(1989)。GydF4y2Ba
8.Milton C. Shaw，“磨料加工原理”，牛津科学出版社，美国(1996)。欧洲杯线上买球GydF4y2Ba
9.I. D. Marinescu, W.B. Rowe, B. Dimitrov and I. Inasaki，“磨料加工过程的摩擦学”，William Andrew Publication, 13 Eaton Avenue, Norwich, NY 13815(2004)。GydF4y2Ba
10.石崎和高田，专利号:156724,15GydF4y2Ba^thGydF4y2Ba1999年6月,日本。GydF4y2Ba

联系方式GydF4y2Ba

Ashok KumarGydF4y2Ba
机械工程系GydF4y2Ba
南佛罗里达州大学GydF4y2Ba
坦帕FL 33620;美国GydF4y2Ba

电子邮件:GydF4y2Ba[受电子邮件保护]GydF4y2Ba

Sathyaharish JeediguntaGydF4y2Ba
电气工程系GydF4y2Ba
南佛罗里达州大学GydF4y2Ba
坦帕FL 33620;美国GydF4y2Ba

一、塔拉索维奇和奥斯塔彭科GydF4y2Ba
纳米材料欧洲杯足球竞彩与纳米制造研究中心GydF4y2Ba
南佛罗里达州大学GydF4y2Ba
坦帕FL 33620;美国GydF4y2Ba

本论文也以印刷形式发表在“材料和材料加工技术的进步”，10[2]（2008）95-100。欧洲杯足球竞彩GydF4y2Ba