高硬度、高强度、高化学稳定性、高耐磨性、高耐热性是对工程陶瓷材料的高度评价,这使其在机械、冶金、化工等领域被广泛应用。然而工程陶瓷具有的优良化学和物理性能使其加工成为难题,传统的金属加工方法已难以满足。目前工程陶瓷材料的加工除特种加工方法外,主要以机械加工方法为主,利用金刚石砂轮进行磨削加工是一种非常有效的方法。本课题主要针对氧化锆和氮化硅两种工程陶瓷进行磨削研究。深入研究工程陶瓷磨削加工机理和热现象,为实际生产加工提供有效方案、实验基础以及理论依据,主要研究工作内容如下:(1)进行陶瓷材料平面磨削表面粗糙度测量实验,研究表面粗糙度的影响因素,包括磨削参数、材料性能、冷却条件等情况。表面粗糙度值随着砂轮线速度的增加、磨削深度的增加和工件进给速度的减小而减小。材料性能对表面粗糙度影响较大,氧化锆陶瓷表面粗糙度要优于氮化硅陶瓷。在实验所选磨削参数条件下,氮化硅陶瓷适合干磨,氧化锆陶瓷适合湿磨。干磨时,氧化锆陶瓷表面会产生微裂纹,并且很容易产生表面烧伤。对陶瓷材料平面磨削表面进行扫描电镜观测,氧化锆陶瓷和氮化硅陶瓷磨削加工表面一般存在塑性变形和脆性断裂,是材料去除主要的两种形式。理论分析了磨削表面形成过程和磨痕类型,横向裂纹扩展引起材料的脆性去除,径向裂纹对工件强度影响较大。(2)进行陶瓷材料平面磨削力测量实验,研究平面磨削力的影响因素,主要包括材料性能、干/湿和磨削参数。金刚石砂轮线速度是对切向磨削力影响最大的因素;磨削深度是对法向磨削力影响最大的因素;工件进给速度是对磨削力影响最小的因素。随着砂轮线速度的增大切向磨削力和法向磨削力均减小,随着磨削深度和工件进给速度的增加切向磨削力和法向磨削力均增大。讨论了单颗磨粒磨削力的影响因素,随着砂轮线速度的增加单颗磨粒磨削法向磨削力减小,随着工件进给速度和磨削深度的增加单颗磨粒磨削法向磨削力增加。基于ABAQUS所建立的金刚石单颗磨粒磨削工程陶瓷模型可以预测磨削力的大小,与实验结果基本一致。(3)进行工程陶瓷平面磨削加工实验,探索磨削参数、材料属性和干/湿磨等因素对磨削温度和热分配比的影响。磨削加工中陶瓷表面会形成局部高温。研究发现,在磨削温度及磨削热分配比的变化中,磨削参数的影响较大,其中影响最大因素是工件进给速度和磨削深度,而金刚石砂轮线速度的影响较小,所以实际磨削加工中可以使金刚石砂轮线速度适当提高。磨削温度和磨削热分配比均随着工件进给速度和磨削深度的增加而增大;金刚石砂轮线速度提高,磨削温度和磨削热分配比也均逐渐增大,且增长趋势逐渐变缓。基于ABAQUS的单颗金刚石磨粒磨削陶瓷仿真模型,可以得出磨削参数对磨削温度的影响。仿真模型得出的结果与实验得出的结果相差不大,可以用来预测平面磨削加工中磨削温度的大小。综上所述,本文通过对氧化锆和氮化硅陶瓷磨削实验研究和理论分析,探索了工程陶瓷磨削机理、表面形貌、磨削力及磨削温度的影响因素,确立了工程陶瓷合理的磨削加工工艺参数。建立了单颗磨粒磨削陶瓷的有限元仿真模型,用来预测磨削力和磨削温度,并通过平面磨削实验进行了验证。以上研究结果对发展陶瓷材料的高质量、高效率新加工工艺具有一定的科学意义和工程应用价值。