工程陶瓷材料磨削加工技術(shù)研究

邵水軍

（河南理工大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，焦作 454000）

0 引言

工程陶瓷具有高硬度、耐高溫、耐磨損、耐腐蝕以及輕質(zhì)量、導(dǎo)熱性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)，是繼金屬和塑料之后的“第三代結(jié)構(gòu)材料”，在國(guó)防、航空航天、電子、汽車等領(lǐng)域而得到了廣泛的應(yīng)用[1,2]。但是，工程陶瓷材料也存在著脆性大、均勻性差、韌性和強(qiáng)度不高、可靠性低、可加工性差等一些缺陷。工程陶瓷材料的廣泛應(yīng)用需要高表面完整性和尺寸精度，其加工成本占材料總成本的50%-70%，高加工成本和難以測(cè)控的加工表面損傷層，極大地限制了其應(yīng)用領(lǐng)域的拓展[2,3]。

1 磨削加工機(jī)理

目前，磨削加工技術(shù)是陶瓷材料已有加工方法中應(yīng)用最多的，特別適用于加工平面或柱形工件，所選用的砂輪一般是金剛石砂輪。對(duì)于金剛石砂輪磨削工程陶瓷的磨削機(jī)理，相繼有學(xué)者采用瞬間微觀變形和破碎累計(jì)、壓痕斷裂力學(xué)模型近似、切削模型近似等不同的理論進(jìn)行解釋。

對(duì)工程陶瓷材料磨削機(jī)理的解釋還有很多，這里有一個(gè)共同點(diǎn)，就是塑性變形和脆性斷裂是形成材料去除的主要原因。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，加工機(jī)理研究已經(jīng)深入到微觀甚至納觀領(lǐng)域。天津大學(xué)林濱[4]以陶瓷材料斷裂力學(xué)、線性斷裂力學(xué)及微觀斷裂物理學(xué)為理論基礎(chǔ)，采用有限元分析法，系統(tǒng)分析了磨削加工過程中微裂紋的產(chǎn)生機(jī)理及影響因素，建立了裂紋分布模型，確定了材料脆性去除、塑性去除轉(zhuǎn)換的臨界條件。借助于SPM技術(shù)，國(guó)外學(xué)者對(duì)超精密加工技術(shù)機(jī)理進(jìn)行了研究[5]：美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)的Bharat Bhushan教授用AFM對(duì)單晶硅在室溫下進(jìn)行微切削實(shí)驗(yàn)研究；日本宇都宮大學(xué)的Yoshio Ichida用原子力顯微鏡和掃描電子顯微鏡對(duì)單點(diǎn)金剛石車削獲得的硅表面及切屑進(jìn)行檢測(cè)實(shí)驗(yàn)研究。

2 磨削加工方式

2.1 高效磨削加工

為了保持陶瓷材料表面完整性和尺寸精度并獲得最大的材料磨除率，國(guó)內(nèi)外學(xué)者相繼提出并研發(fā)了高速磨削、恒壓力磨削、緩進(jìn)給磨削、高速深磨加工及高速往復(fù)磨削加工等高效磨削加工工藝，基本實(shí)現(xiàn)了工程陶瓷材料的高效磨削加工。近年來提出的高速深切磨削加工是磨削加工技術(shù)發(fā)展的高峰，它復(fù)合了高速磨削、緩進(jìn)給磨削的特點(diǎn)，采用超硬磨料磨粒砂輪以大的磨削用量實(shí)現(xiàn)材料的局部微脆性裂紋和塑性斷裂的復(fù)合方式去除，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高效磨削[2]。

2.2 ELID磨削加工

1990年，日本理化院Hitoshi Ohmori成功的開發(fā)了ELID工藝，采用微細(xì)磨粒鑄鐵纖維基金剛石砂輪，選用普通機(jī)床在磨削過程中進(jìn)行砂輪的在線修整，實(shí)現(xiàn)了對(duì)硅片的鏡面磨削加工。后來，Hitoshi Ohmori又對(duì)ELID進(jìn)行了改進(jìn)，用幾微米甚至亞微米的金剛石磨粒的鑄鐵基砂輪對(duì)單晶硅、光學(xué)玻璃和陶瓷材料進(jìn)行ELID磨削，獲得了高精度、低表面粗糙度的優(yōu)質(zhì)表面，可一定程度的代替研磨和拋光。哈爾濱工業(yè)大學(xué)[6]采用ELID磨削技術(shù)對(duì)硬質(zhì)合金、陶瓷材料、光學(xué)玻璃等脆性材料實(shí)現(xiàn)了鏡面磨削加工，磨削表面質(zhì)量大幅度提高，部分工件的表面粗糙度尺值低至納米級(jí)。

2.3 塑性域磨削加工

傳統(tǒng)的材料去除過程一般有脆性去除和塑性去除兩種方式。材料脆性去除是通過裂紋的擴(kuò)展、交叉來完成的；材料塑性去除則是以剪切加工切屑的形式使材料產(chǎn)生塑性流動(dòng)。對(duì)于工程陶瓷等硬脆材料，傳統(tǒng)的加工技術(shù)及工藝參數(shù)只會(huì)導(dǎo)致脆性去除而不會(huì)產(chǎn)生顯著的塑性流動(dòng)，將發(fā)生脆性斷裂，會(huì)嚴(yán)重影響被加工表面完整性和加工質(zhì)量。在加工工程陶瓷材料時(shí)，可采用極小的切深來實(shí)現(xiàn)材料的塑性去除，即材料可在微小去除條件下從脆性破壞向塑性變形轉(zhuǎn)變。超精加工技術(shù)的最新進(jìn)展己可將加工進(jìn)給量控制在幾個(gè)納米，從而使脆性材料的去除加工由脆性轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄?，顯著降低加工表面層破壞程度。

2.4 超聲磨削加工

超聲磨削加工，是在磨削加工的同時(shí)，對(duì)工具或工件施加超聲頻率振動(dòng)，充分利用超聲波的高頻振動(dòng)和空化作用，使工具和磨粒產(chǎn)生極高的速度、加速度頻繁地撞擊被加工工件表面，從而達(dá)到去除材料的目的。超聲磨削加工方式較適用于陶瓷材料的加工，其加工效率隨著材料脆性的增大而逐漸提高。趙波教授[7]在工程陶瓷材料普通磨削研究的基礎(chǔ)上，研究了超聲、普通珩磨工程陶瓷和高強(qiáng)度鋼的材料去除機(jī)理，證實(shí)了在超聲加工作用下，不僅超細(xì)粒度金剛石珩磨油石可以延性加工工程陶瓷材料，且粗粒度油石在一定條件下也完全可以進(jìn)行延性域加工。超聲磨削加工可以明顯提高硬脆材料的臨界延性磨削深度，已成為人們普遍關(guān)注的一種加工方式。

另外，復(fù)合磨削加工、電火花磨削加工、電化學(xué)放電磨削加工、電化學(xué)在線修整磨削加工，也是當(dāng)前工程陶瓷材料磨削加工方式發(fā)展的重要趨勢(shì)。

3 磨削表面損傷及其測(cè)試

3.1 磨削裂紋及其測(cè)試[8]

通常情況下，工程陶瓷材料由磨削加工所引起的表面微裂紋包括中央或徑向裂紋和橫向裂紋。這些裂紋是由工程陶瓷材料和磨料磨粒之間相互作用產(chǎn)生的應(yīng)力所引起的。橫向裂紋平行于材料表面，且產(chǎn)生晶粒剝落、材料去除過程；徑向裂紋垂直于材料表面和加工方向。

工程陶瓷材料的磨削加工裂紋的測(cè)試方法有損傷法和非損傷法等：應(yīng)用超聲波探測(cè)氮化硅陶瓷和石灰玻璃壓痕試驗(yàn)中亞表面橫向裂紋；運(yùn)用光束反射方法的熱波測(cè)量技術(shù)探測(cè)陶瓷磨削中的中位/徑向裂紋和橫向裂紋；光學(xué)顯微鏡、氬爆光技術(shù)、氣泡試驗(yàn)、熱波映像和X射線聚焦等方法。

3.2 磨削表面殘余應(yīng)力及其測(cè)試

工程陶瓷材料磨削加工后，表面層通常會(huì)形成一層殘余應(yīng)力，它是裂紋產(chǎn)生和發(fā)展的主要影響因素。工程陶瓷材料的斷裂強(qiáng)度和韌性對(duì)表面應(yīng)力狀態(tài)非常敏感，殘余壓應(yīng)力能提高其斷裂韌性，殘余拉應(yīng)力的作用則剛好相反。

工程陶瓷材料磨削加工表面殘余應(yīng)力的檢測(cè)方法有機(jī)械方法、物理檢測(cè)法等。機(jī)械方法屬于間接測(cè)量法，是通過測(cè)量零件的變形而間接測(cè)量殘余應(yīng)力，如撓度法、腐蝕剝層法、裂紋法等。物理檢測(cè)法，是直接測(cè)量法，通過測(cè)量表面應(yīng)力導(dǎo)致的材料物理性能的變化得出材料的殘余應(yīng)力，如X射線衍射法。

4 結(jié)束語

高效高精度是工程陶瓷材料磨削加工追求的目標(biāo)。當(dāng)前，工程陶瓷材料高效超精密磨削加工研究應(yīng)集中在以下幾個(gè)方向：適合工程陶瓷材料新的磨削加工機(jī)理；磨削加工過程的計(jì)算機(jī)控制和在線檢測(cè)；新型且更適用的磨料、磨具、磨削液的研制開發(fā)；高精度高剛性的自動(dòng)化磨床及磨削加工中心的研制；非穩(wěn)態(tài)磨削與無損磨削。伴隨著理論研究的深入和新加工技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，工程陶瓷材料將在更多領(lǐng)域應(yīng)用、推廣。

[1] 李伯民, 趙波.現(xiàn)代磨削技術(shù)[M].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2003.6.

[2] 杜建華, 劉永紅, 李小朋, 等.工程陶瓷材料磨削加工技術(shù)[J].機(jī)械工程材料.2005, 29(3): 1-4.

[3] 劉偉香, 鄧朝暉.工程陶瓷磨削表面殘余應(yīng)力測(cè)試[J].現(xiàn)代制造工程.2005(5): 99-103.

[4] 林濱.工程陶瓷超精密磨削技術(shù)研究[D].天津: 天津大學(xué), 1998.

[5] 吳雁.微-納米復(fù)合陶瓷二維超聲振動(dòng)磨削脆-塑轉(zhuǎn)變機(jī)理及其表面微觀特性研究[D].上海交通大學(xué), 2006.

[6] 張飛虎, 袁哲俊, 等.單晶硅脆性材料塑性域超精密磨削加工的研究, 航空精密制造技術(shù), 2000 (4): 8-11.

[7] 趙波.縱向超聲振動(dòng)珩磨系統(tǒng)及硬脆材料延性切削特征研究[D].上海交通大學(xué), 1999.

[8] 鄧朝暉, 張璧, 周志雄.陶瓷磨削的表面/亞表面損傷[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2002, 29(5): 61-71.