工程陶瓷材料磨削加工技術研究

邵水軍

（河南理工大學 機械與動力工程學院，焦作 454000）

0 引言

工程陶瓷具有高硬度、耐高溫、耐磨損、耐腐蝕以及輕質量、導熱性能好等諸多優點，是繼金屬和塑料之后的“第三代結構材料”，在國防、航空航天、電子、汽車等領域而得到了廣泛的應用[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控的加工表面損傷層，極大地限制了其應用領域的拓展[2,3]。

1 磨削加工機理

目前，磨削加工技術是陶瓷材料已有加工方法中應用最多的，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。對于金剛石砂輪磨削工程陶瓷的磨削機理，相繼有學者采用瞬間微觀變形和破碎累計、壓痕斷裂力學模型近似、切削模型近似等不同的理論進行解釋。

對工程陶瓷材料磨削機理的解釋還有很多，這里有一個共同點，就是塑性變形和脆性斷裂是形成材料去除的主要原因。隨著科學技術的進步，加工機理研究已經深入到微觀甚至納觀領域。天津大學林濱[4]以陶瓷材料斷裂力學、線性斷裂力學及微觀斷裂物理學為理論基礎，采用有限元分析法，系統分析了磨削加工過程中微裂紋的產生機理及影響因素，建立了裂紋分布模型，確定了材料脆性去除、塑性去除轉換的臨界條件。借助于SPM技術，國外學者對超精密加工技術機理進行了研究[5]：美國俄亥俄州立大學的Bharat Bhushan教授用AFM對單晶硅在室溫下進行微切削實驗研究；日本宇都宮大學的Yoshio Ichida用原子力顯微鏡和掃描電子顯微鏡對單點金剛石車削獲得的硅表面及切屑進行檢測實驗研究。

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，國內外學者相繼提出并研發了高速磨削、恒壓力磨削、緩進給磨削、高速深磨加工及高速往復磨削加工等高效磨削加工工藝，基本實現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發展的高峰，它復合了高速磨削、緩進給磨削的特點，采用超硬磨料磨粒砂輪以大的磨削用量實現材料的局部微脆性裂紋和塑性斷裂的復合方式去除，實現優質高效磨削[2]。

2.2 ELID磨削加工

1990年，日本理化院Hitoshi Ohmori成功的開發了ELID工藝，采用微細磨粒鑄鐵纖維基金剛石砂輪，選用普通機床在磨削過程中進行砂輪的在線修整，實現了對硅片的鏡面磨削加工。后來，Hitoshi Ohmori又對ELID進行了改進，用幾微米甚至亞微米的金剛石磨粒的鑄鐵基砂輪對單晶硅、光學玻璃和陶瓷材料進行ELID磨削，獲得了高精度、低表面粗糙度的優質表面，可一定程度的代替研磨和拋光。哈爾濱工業大學[6]采用ELID磨削技術對硬質合金、陶瓷材料、光學玻璃等脆性材料實現了鏡面磨削加工，磨削表面質量大幅度提高，部分工件的表面粗糙度尺值低至納米級。

2.3 塑性域磨削加工

傳統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生塑性流動。對于工程陶瓷等硬脆材料，傳統的加工技術及工藝參數只會導致脆性去除而不會產生顯著的塑性流動，將發生脆性斷裂，會嚴重影響被加工表面完整性和加工質量。在加工工程陶瓷材料時，可采用極小的切深來實現材料的塑性去除，即材料可在微小去除條件下從脆性破壞向塑性變形轉變。超精加工技術的最新進展己可將加工進給量控制在幾個納米，從而使脆性材料的去除加工由脆性轉變為塑性，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，對工具或工件施加超聲頻率振動，充分利用超聲波的高頻振動和空化作用，使工具和磨粒產生極高的速度、加速度頻繁地撞擊被加工工件表面，從而達到去除材料的目的。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上，研究了超聲、普通珩磨工程陶瓷和高強度鋼的材料去除機理，證實了在超聲加工作用下，不僅超細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，已成為人們普遍關注的一種加工方式。

另外，復合磨削加工、電火花磨削加工、電化學放電磨削加工、電化學在線修整磨削加工，也是當前工程陶瓷材料磨削加工方式發展的重要趨勢。

3 磨削表面損傷及其測試

3.1 磨削裂紋及其測試[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生的應力所引起的。橫向裂紋平行于材料表面，且產生晶粒剝落、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試方法有損傷法和非損傷法等：應用超聲波探測氮化硅陶瓷和石灰玻璃壓痕試驗中亞表面橫向裂紋；運用光束反射方法的熱波測量技術探測陶瓷磨削中的中位/徑向裂紋和橫向裂紋；光學顯微鏡、氬爆光技術、氣泡試驗、熱波映像和X射線聚焦等方法。

3.2 磨削表面殘余應力及其測試

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

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

4 結束語

高效高精度是工程陶瓷材料磨削加工追求的目標。當前，工程陶瓷材料高效超精密磨削加工研究應集中在以下幾個方向：適合工程陶瓷材料新的磨削加工機理；磨削加工過程的計算機控制和在線檢測；新型且更適用的磨料、磨具、磨削液的研制開發；高精度高剛性的自動化磨床及磨削加工中心的研制；非穩態磨削與無損磨削。伴隨著理論研究的深入和新加工技術的不斷涌現，工程陶瓷材料將在更多領域應用、推廣。

[1] 李伯民, 趙波.現代磨削技術[M].北京: 機械工業出版社, 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[J].機械工程材料.2005, 29(3): 1-4.

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

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

[5] 吳雁.微-納米復合陶瓷二維超聲振動磨削脆-塑轉變機理及其表面微觀特性研究[D].上海交通大學, 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, 2000 (4): 8-11.

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

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