工程陶瓷材料磨削加工技術(shù)研究

邵水軍 趙 波

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

0 引言

工程陶瓷具有硬度高、耐高溫、耐磨損、耐腐蝕以及質(zhì)量輕、導(dǎo)熱性能好等優(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)域得到了廣泛的應(yīng)用[1,2]。但是，工程陶瓷也存在著某些缺陷，主要表現(xiàn)為它的脆性大(易產(chǎn)生裂紋)、均勻性差，韌性、強(qiáng)度不高，可靠性低，可加工性差等。而工程陶瓷材料的應(yīng)用需要高表面完整性和尺寸精度，而且其對(duì)加工表面層特性的要求也非?？量獭９こ烫沾刹牧霞庸ふ疾牧系目偝杀镜?0～70%，高加工成本以及難以控測(cè)的加工表面損傷層，極大地限制了其廣泛應(yīng)用[2,3]。當(dāng)前，傳統(tǒng)的加工方法已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代科技的需要，有關(guān)工程陶瓷精密超精密磨削加工技術(shù)和材料表面成形技術(shù)已成為當(dāng)今世界各國(guó)研究的熱點(diǎn)[4]。

1 工程陶瓷的特性[5-7]

陶瓷材料是典型的硬脆材料，是指由金屬和非金屬元素的氧化物、碳化物、氨化物、硼化物、硫化物、硅化物及復(fù)合化合物所構(gòu)成的材料。工程陶瓷主要指可用于工程方面的具有高強(qiáng)度、高耐磨性、耐高溫、由氧、碳、硅、硼等材料燒結(jié)而成的陶瓷材料。

陶瓷材料的性能取決于晶體點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。陶瓷材料的原子間結(jié)合力主要為離子鍵、共價(jià)鍵或離子共價(jià)混合鍵。不同陶瓷材料的共價(jià)鍵和離子鍵所占的比例不同，性能也有所差異。共價(jià)鍵的主要特點(diǎn)是它的方向性，使晶體擁有較高的抗晶格畸變和阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)發(fā)展的能力，使陶瓷呈現(xiàn)出較高的硬度和彈性模量；離子鍵晶體的方向性不明顯，主要表現(xiàn)為靜電作用力，它是決定離子鍵陶瓷結(jié)構(gòu)的主要因素。主要由離子鍵構(gòu)成的陶瓷材料在靜電作用下呈現(xiàn)出較高的強(qiáng)度，且強(qiáng)度受溫度影響較大；而主要由共價(jià)鍵構(gòu)成的陶瓷材料則受溫度的影響不大，所以共價(jià)鍵比例大的陶瓷熱膨脹系數(shù)低，導(dǎo)熱率高，更適合做高溫結(jié)構(gòu)材料。陶瓷材料結(jié)構(gòu)決定了其具有其他材料所不具備的特殊性能：耐高溫、高硬度、耐磨損、耐腐蝕、低膨脹系數(shù)、高熱導(dǎo)率和質(zhì)量輕等。

2 磨削加工機(jī)理

磨削加工是目前陶瓷材料已有加工方法中應(yīng)用最多的一種，特別適用于加工平面及柱形工件，所選用的砂輪一般是金剛石砂輪。對(duì)金剛石砂輪磨削工程陶瓷的磨削機(jī)理有不同的解釋，有學(xué)者采用瞬間微觀變形和破碎累計(jì)[8]、壓痕斷裂力學(xué)模型近似[9,10]、切削模型近似[11]等理論對(duì)工程陶瓷材料磨削機(jī)理進(jìn)行解釋。

對(duì)工程陶瓷材料磨削機(jī)理的解釋還有很多，但有一個(gè)共同點(diǎn)，即塑性變形和脆性斷裂是形成材料去除的主要原因。近年隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，加工機(jī)理研究已經(jīng)深入到微觀乃至納觀領(lǐng)域[12]。2002年，天津大學(xué)林濱[13]以陶瓷材料斷裂力學(xué)、線性斷裂力學(xué)和微觀斷裂物理學(xué)為理論基礎(chǔ)，采用有限元分析方法，系統(tǒng)分析了磨削加工過(guò)程中微裂紋的產(chǎn)生機(jī)理及其影響因素，建立了裂紋分布模型，確定了材料脆性去除和塑性去除轉(zhuǎn)換的臨界條件。借助于SPM技術(shù)，國(guó)外學(xué)者對(duì)超精密加工機(jī)理進(jìn)行了研究：美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)的Bharat Bhushan教授用AFM對(duì)單晶硅的（100）面在室溫下進(jìn)行微切削實(shí)驗(yàn)[14]；德國(guó)布萊梅大學(xué)的E. Brinksmeier教授用AFM對(duì)金剛石車削單晶硅的加工表面進(jìn)行成像研究[15]；日本宇都宮大學(xué)的Yoshio Ichida用原子力顯微鏡(AtomicForceMicroscopy,AFM)和掃描電子顯微鏡 (Scanning Electron Microscopy，SEM)對(duì)單點(diǎn)金剛石車削獲得的硅表面及切屑檢測(cè)。還有，美國(guó)和日本在分子動(dòng)力學(xué)模擬超精密加工機(jī)理的研究方面的工作處于世界領(lǐng)先地位[16,17]。

3 磨削加工方式

近年來(lái)高效磨削加工、ELID磨削加工、塑性域磨削加工、超聲磨削加工等磨削加工方式的出現(xiàn)，解決了工程陶瓷材料磨削加工中的諸多難題，并為其廣泛應(yīng)用提供了強(qiáng)有力的工藝支持。

3.1 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[18]，國(guó)內(nèi)外學(xué)者相繼提出并開(kāi)發(fā)了高速磨削、緩進(jìn)給磨削、恒壓力磨削、高速深磨加工及高速往復(fù)磨削等高效磨削工藝，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了工程陶瓷材料的高效磨削加工。近年來(lái)提出的高速深切磨削則真正使磨削加工實(shí)現(xiàn)了高效優(yōu)質(zhì)的結(jié)合，被譽(yù)為磨削技術(shù)發(fā)展的高峰。高速深磨加工復(fù)合了高速磨削、緩進(jìn)給磨削的特點(diǎn)，采用超硬磨料砂輪和可靠實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)動(dòng)的高精度、高自動(dòng)化、高柔性的制造設(shè)備，以大的磨削量實(shí)現(xiàn)材料的局部微脆性裂紋與塑性斷裂的復(fù)合方式去除，實(shí)現(xiàn)提高材料磨除率、加工精度和加工質(zhì)量[2]。

研究中使用2016年5月7日～8日、10日～11日共4個(gè)時(shí)相的高分四號(hào)衛(wèi)星全色多光譜衛(wèi)星圖像，見(jiàn)圖2，數(shù)據(jù)格式為Geotiff，均為經(jīng)過(guò)系統(tǒng)輻射校正的1A級(jí)數(shù)據(jù)產(chǎn)品.該時(shí)間段內(nèi)衛(wèi)星覆蓋區(qū)域內(nèi)的積雪為天山山脈等高山地區(qū)積雪，圖像上云層覆蓋范圍普遍較大，整體云蓋量占整幅圖像范圍的47%～57%之間.

3.2 ELID磨削加工

1990年，日本理化院Hitoshi Ohmori成功的開(kāi)發(fā)了ELID新工藝，采用微細(xì)磨粒鑄鐵纖維基金剛石砂輪，采用普通機(jī)床在磨削過(guò)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[19]。后來(lái)，HitoshiOhmori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)玻璃和陶瓷進(jìn)行ELID磨削，研究了磨粒尺寸與粗糙度的關(guān)系，用SEM、AFM分析研究表面廓形獲得了高精度、低表面粗糙度的優(yōu)質(zhì)表面，可代替研磨和拋光。哈爾濱工業(yè)大學(xué)[20]采用ELID磨削技術(shù)對(duì)硬質(zhì)合金、陶瓷、光學(xué)玻璃等脆性材料實(shí)現(xiàn)了鏡面磨削，磨削表面質(zhì)量與在相同機(jī)床條件下采用普通砂輪磨削相比大幅度提高，部分工件的表面粗糙度尺值己達(dá)到納米級(jí)。

3.3 塑性域磨削加工

傳統(tǒng)的材料去除過(guò)程一般有脆性去除和塑性去除兩種。材料脆性去除是通過(guò)裂紋的擴(kuò)展和交叉來(lái)完成的；而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)于工程陶瓷等脆性材料，采用傳統(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)，在超過(guò)強(qiáng)度極限的切削力作用下，材料的大小粒子發(fā)生脆性斷裂，將嚴(yán)重影響被加工表面完整性和加工質(zhì)量。由加工實(shí)踐可知，在加工工程陶瓷材料時(shí)，可采用極小的切深來(lái)實(shí)現(xiàn)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?，顯著降低次表面（表層）破壞[21]。

3.4 超聲磨削加工

超聲磨削加工是一種有機(jī)的復(fù)合加工過(guò)程，即在磨削加工的同時(shí)，對(duì)工具或工件施加超聲頻振動(dòng)，利用超聲波的高頻振動(dòng)和空化作用，使工具和磨粒產(chǎn)生極高的速度和加速度頻繁地撞擊被加工表面，從而達(dá)到去除材料的目的。超聲復(fù)合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提高。1986～1988年清華大學(xué)王先逵教授研究了硬脆材料的超聲砂帶磨削技術(shù)，獲得了高效超鏡面加工效果[22]。1991年趙波教授[4]在工程陶瓷普通磨削研究的基礎(chǔ)上，于1996～1998年研究了超聲、普通珩磨工程陶瓷和高強(qiáng)度鋼的材料去除機(jī)理，建立了適應(yīng)于高強(qiáng)度鋼和硬脆材料的高效去除率模型，同時(shí)研究了超聲珩磨的表面微觀特性，通過(guò)電鏡觀察了80#粗粒度金剛石油石珩磨氧化鋯和氧化鋁表面從延性到脆性的過(guò)渡現(xiàn)象，證實(shí)了在超聲加工下，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)行延性域加工等。超聲振動(dòng)加工可以明顯提高脆性材料的臨界延性磨削深度，要求同樣表面質(zhì)量時(shí)，該方法可顯著提高生產(chǎn)率[23]。當(dāng)前，超聲波振動(dòng)磨削在加工硬脆性難加工材料的應(yīng)用日趨廣泛，已成為人們普遍關(guān)注的一種加工方法。

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

4 磨削表面損傷及其測(cè)試

4.1 磨削裂紋及其測(cè)試[24]

通常工程陶瓷材料由磨削加工所引起的表面微裂紋包括中央/徑向裂紋(縱裂紋)和橫向裂紋。這些裂紋是由陶瓷材料和磨料磨粒之間相互作用產(chǎn)生的應(yīng)力引起的。橫向裂紋平行于材料表面，同時(shí)產(chǎn)生晶粒剝落和材料去除過(guò)程。徑向裂紋則垂直于材料表面和加工方向。

人們已經(jīng)探索了一些非損傷法和損傷法來(lái)探測(cè)工程陶瓷在磨削過(guò)程中所產(chǎn)生的裂紋：應(yīng)用超聲波方法可以探測(cè)出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)可以探測(cè)出陶瓷磨削中的中位/徑向裂紋和橫向裂紋；此外還有光學(xué)顯微鏡、熱波映像、氬爆光技術(shù)、氣泡試驗(yàn)和X射線聚焦等方法。

4.2 磨削表面殘余應(yīng)力及其測(cè)試

工程陶瓷磨削加工后，表面通常會(huì)形成一層殘余應(yīng)力，它是材料裂紋產(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)異常敏感，殘余壓應(yīng)力將會(huì)提高其斷裂韌性，殘余拉應(yīng)力的作用則正好相反。

目前，檢測(cè)工程陶瓷磨削加工表面的殘余應(yīng)力的方法有很多，一般可以分為機(jī)械方法和物理檢測(cè)法。機(jī)械方法屬于間接測(cè)量法，即通過(guò)測(cè)量零件的變形而間接測(cè)量殘余應(yīng)力，如腐蝕剝層法、撓度法、裂紋法等。物理檢測(cè)法，即直接測(cè)量法，通過(guò)測(cè)量表面應(yīng)力導(dǎo)致的材料物理性能的變化來(lái)求出材料的殘余應(yīng)力，如X射線衍射法[25]。

5 結(jié)束語(yǔ)

高效率和高精度是工程陶瓷材料磨削加工追求的兩大目標(biāo)。目前，國(guó)內(nèi)在工程陶瓷材料高效、精密、超精密磨削加工方面有待加強(qiáng)，在今后的研究中需要集中在以下幾個(gè)方向：研究適合工程陶瓷材料的新的磨削加工理論和技術(shù)；磨削過(guò)程的計(jì)算機(jī)控制和在線檢測(cè)、診斷，以提高材料的加工精度和表面質(zhì)量；新型且更適用的磨料、磨具、磨削液的研制開(kāi)發(fā)；研制高精度高剛性的自動(dòng)化磨床及磨削加工中心。當(dāng)前，非穩(wěn)態(tài)磨削與無(wú)損磨削等領(lǐng)域的研究已引起人們的關(guān)注[26]。伴隨著理論研究的深入和新加工技術(shù)的不斷出現(xiàn)，工程陶瓷磨削加工技術(shù)將會(huì)向更深一步發(fā)展，也將在更多領(lǐng)域應(yīng)用、推廣。

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