基于液固界面力学行为仿生的陶瓷磨削弧区桥接理论与技术

Because of the severe friction between the grinding wheel and ceramics, grinding wheel wear and grinding heat are main hinder for high speed and efficiency grinding. In the micro scale, the interfacial force is a common micro mechanics effect which has a great influence on the friction. Referencing to the interface behavior of biochemistry, the wettability is used as a reference for micro mechanics effect. This project searches the fluids which have a great affinity to ceramic. The materials can immerse grinding contact zone by combining with the surface of ceramics. On the basis of above, the methods of tribo-design and surface chemical were adopted to advance effect of antifriction and lubrication. The ability for ceramics grinding will be improved greatly by better microcosmic grinding conditions.. This project will enrich theory of ceramic grinding at the micro level, and the work offers the theoretical background and sustention for difficult problems of ceramic grinding.

陶瓷材料的高硬特性使得磨削砂轮与陶瓷间的摩擦非常剧烈，这直接导致了金刚石砂轮磨损迅速、磨削热影响突出等问题,是制约各种陶瓷磨削技术取得突破的瓶颈所在。微观尺度上，界面力是物质间普遍存在的一种力学效应，它对物体界面的摩擦学特性会产生很大的影响。本项目借鉴生物界面行为及其产生机理，将液固界面的润湿行为作为陶瓷与液体微观力学作用的表征，并依据其作用规律来发掘对陶瓷表面具有超强亲和力的液态物质。该物质在磨削过程中最重要的特征是具有突破液-固界面的阻碍，自发与磨削表面形成有效结合并浸入磨削弧区的强烈倾向。在此基础上，结合摩擦学设计和界面膜复合原理，强化超亲液体在磨削弧区中的减磨和润滑功能，实现磨削效果的大幅提升。. 本项目研究成果将进一步从微观层面上丰富和发展陶瓷磨削的增效理论，为解决高精和苛刻工况条件下的磨削加工难题提供理论基础和技术支持。

针对课题研究过程中的难题,课题对关键测试手段进行了完善和开拓。（1）课题系统地对前期磨削液效率评价机构及评价方法进行总结和完善，形成了磨削液效率评价的专用机构和评价方法;（2）针对超亲有机物润湿角难以精确测量的难题开发了独创性的小角度润湿角精确测量方法,解决了小角度润湿精确评价的国际难题;（3）在砂轮堵塞领域的研究中开发了在线金刚石砂轮堵塞评价方法。完整的试验方法已申请发明专利三项。.对磨削过程进行了精细化控制研究。（1）课题组以陶瓷表面具有超亲特性的有机物为基础进行混料实验，探索了陶瓷专用磨削液的复配方法。（2）探索了砂轮堵塞与陶瓷表面磨削质量之间的关系。试验结果表明砂轮堵塞及游离在磨削弧区中的磨屑是造成陶瓷表面粗糙度下降的重要原因之一。抑制磨屑在磨削弧区中聚集和堵塞现象可以实现陶瓷表面磨削质量的提升。（3）开发了超亲有机物抗堵塞添加剂，可以有效解决共价键和离子键的陶瓷磨削时的砂轮堵塞问题。目前该方法已申请国家发明专利一项。.对相关领域的作用机理进行了探索。（1）对典型陶瓷进行分子结构几何建模，并利用不同原子间电负性的差值计算和对比不同陶瓷及单晶硅的极性大小。确立了润滑剂极性与陶瓷极性间的匹配关系。在此基础上，课题组总结了优势润滑剂的典型分子结构特征；（2）采用亲水基团的总HLB数与憎水基团碳数的比值ε作为依据，来精确量化亲水基团和疏水基团对液固界面亲憎特性的表征指标。基于ε建立的润湿模型，可以实现与润湿性能相关的冷却性能和润滑性能的预测；（3）将液固界面微观作用力的原理应用与陶瓷磨削中的抗堵塞过程。通过调整陶瓷表面吸附油膜的极性大小来控制磨削表面对游离在磨削区中磨屑的吸引和排斥能力，从而使磨削过程更加顺利。