脆性材料延性域加工研究進展

張玉周，皮 鈞

(集美大學(xué)機械工程學(xué)院，福建 廈門 361021)

0 引言

脆性材料 (如玻璃、陶瓷、硅、石英等)具有優(yōu)良的性能，在航空航天、能源、生物醫(yī)藥、光學(xué)、半導(dǎo)體及電子領(lǐng)域中發(fā)揮十分重要的作用.許多高科技產(chǎn)品，比如熱成像儀中的透鏡、晶體硅太陽能電池板、半導(dǎo)體領(lǐng)域中的一些關(guān)鍵產(chǎn)品就是用脆性材料制造的.近年來，隨著光學(xué)、半導(dǎo)體、生物醫(yī)藥領(lǐng)域技術(shù)的飛快發(fā)展，出現(xiàn)了許多利用脆性材料 (如陶瓷、玻璃等)加工而成的表面具有功能微結(jié)構(gòu)的精密微小零件 (如微透鏡陣列、微棱鏡、非球面透鏡、多焦點透鏡、二維平面編碼器、反射光柵或通道等)，這些微小零件 (微米級)必須具有很高的表面質(zhì)量、超精密的形狀精度及更緊密的公差配合，因而也對脆性材料加工技術(shù)提出了更高要求.

但是，脆性材料的加工性能差，這主要是因為脆性材料脆性大，斷裂韌性低，材料的彈性極限和強度非常接近，當材料所承受的載荷超過彈性極限時就發(fā)生斷裂破壞，容易在已加工表面產(chǎn)生裂紋和凹坑，嚴重影響產(chǎn)品的表面質(zhì)量和性能.傳統(tǒng)的脆性材料加工方式 (磨粒加工)容易造成零件表層及次表層損傷，必須通過后續(xù)的研磨、拋光等工序進行光整，因而生產(chǎn)效率低、加工精度不易保證，而且不易加工表面形狀復(fù)雜的零件.

脆性材料延性域加工是近幾十年發(fā)展起來的脆性材料加工新技術(shù).實驗和理論研究表明，通過控制加工條件，加工過程中脆性材料的切屑可以以塑性變形的方式形成并被去除，由于沒有發(fā)生脆性斷裂，所以不會造成零件表層及次表層的損傷和產(chǎn)生微裂紋.與傳統(tǒng)的加工方式相比，脆性材料延性域加工可大大改善加工表面質(zhì)量及精度，提高加工效率，并且容易實現(xiàn)具有復(fù)雜表面形狀零件的加工.

1 脆性-延性轉(zhuǎn)變機制

脆性材料在加工過程中存在兩種材料去除機制——脆性模式和延性模式.這兩種模式與加工尺度(切削厚度/切削深度)有關(guān).在大的加工尺度下，材料發(fā)生脆性斷裂并以脆性模式被去除;而如果加工尺度足夠小，切削深度 (切削厚度)小于某一臨界值，材料先發(fā)生塑性變形并以延性模式被去除.

Bifano等[1]從能量的觀點解釋了脆性材料加工過程中的脆性-延性轉(zhuǎn)變現(xiàn)象.塑性變形、脆性斷裂都是不可恢復(fù)的能量耗散過程.用Ep表示材料塑性變形所需要的能量，Ep=σyvp，其中:σy是屈服強度，表征材料抵抗塑性變形的能力;vp表示材料發(fā)生塑性變形的體積．用Ef表示脆性斷裂所需要的能量，Ef=GAf，其中:G是Gfiffith微裂紋擴展系數(shù)，是材料抵抗裂紋擴展的屬性;Af是由于裂紋擴展而新形成的表面積.σy、G是材料的本質(zhì)屬性，由材料的性能決定，而vp、Af的數(shù)量級由切削深度d決定，vp～d3，Af～d2，這樣，塑性流動能Ep與斷裂能Ef之比，即Ep/Ef∝d;脆性-延性轉(zhuǎn)變的臨界切深dc=f(σy、G)．當切削深度d大于dc時，脆性斷裂是能量優(yōu)先的變形機制，當切削深度d小于dc時，塑性變形成為能量優(yōu)先的變形機制;臨界切深dc是σy和G函數(shù)，兩者分別表示材料抵抗塑性流動和脆性斷裂的能力.

Nakasuji等[2]從力學(xué)的觀點解釋了脆性-延性轉(zhuǎn)變機制.延性域模式是由于特征滑移面上易滑移方向的剪應(yīng)力分量τs大于某一臨界值τc，材料發(fā)生了塑性變形 (如圖1a所示)，而脆性域模式是由于特征解離面法向拉應(yīng)力分量σf大于σc某一臨界值，導(dǎo)致材料發(fā)生脆性斷裂 (如圖1b所示).

因此，特定加工條件下材料的應(yīng)力場狀態(tài)決定了判定準則，即:當τs〉τs先于σf〉σc發(fā)生，決定材料的去除機制是延性模式，反之，則為脆性模式．臨界值τc和σc受到材料內(nèi)部缺陷和位錯密度的影響．如果加工尺度大 (大的切削深度)，刀具前端的應(yīng)力場尺度也大，應(yīng)力場內(nèi)的微裂紋增加，使得σc急劇降低，材料優(yōu)先發(fā)生脆性斷裂 (如圖2a所示).而τc沒有明顯的尺寸效應(yīng)，即使在小的應(yīng)力場內(nèi)，位錯密度也足以使塑性變形發(fā)生．因此，如果切削深度足夠小，應(yīng)力場尺度小，內(nèi)部無微裂紋，σc大大增加，塑性變形將先于脆性斷裂發(fā)生 (如圖2b所示).

圖1 切屑去除模型Fig.1 Models of chip removat

圖2 臨界應(yīng)力場模型Fig.2 Models of critical stress field

Bridgeman等[3]的研究表明，多種脆性材料在靜水壓力(平均正應(yīng)力)影響下可以表現(xiàn)出塑性行為，高的靜水壓力是脆性材料產(chǎn)生塑性流動的必要條件.如果切削深度足夠小，切屑形成區(qū)內(nèi)高的靜水壓力和剪切應(yīng)力會抑制裂紋的擴展，切屑在形成過程中表現(xiàn)出塑性變形的特征.脆性材料的壓痕實驗可以很好地模擬脆性-延性轉(zhuǎn)變的靜水壓力機制.圖3是一個脆性材料彈性-塑性壓痕實驗?zāi)Ｐ?在脆性材料上施加一小的載荷p，壓頭正下方的材料 (見圖3中黑色部分)被認為是擴展核心，向周圍的塑性變形區(qū) (見圖3中陰影部分)施加均勻的靜水壓力.從圖3可以看出，即使是脆性材料，在很小載荷的作用下仍然會產(chǎn)生一定的塑性變形.

Cai等[4]應(yīng)用分子動力學(xué) (MD)方法研究了脆性材料納米切削過程中脆性-延性轉(zhuǎn)變和裂紋的產(chǎn)生過程，研究結(jié)果表明，當切削厚度從小于切削刃半徑增大到大于切削刃半徑時，材料的去除模式也相應(yīng)地發(fā)生延性—脆性的轉(zhuǎn)變.這種轉(zhuǎn)變與切屑成形區(qū)前端的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān).圖4、圖5表示了兩種不同的切屑成形模式.當切削厚度小于切削刃半徑時，應(yīng)力σyy是壓應(yīng)力，而且切屑成形區(qū)沒有尖端區(qū)域(見圖4a、圖5a).在這樣的加工條件下，切屑成形區(qū)周圍都是壓應(yīng)力的作用，因此沒有裂紋產(chǎn)生.當切削厚度等于或大于切削刃半徑時，切屑成形區(qū)內(nèi)有一尖端區(qū)域.尖端區(qū)域的形成是由于區(qū)域內(nèi)原子鍵的長度被拉長.同時，y方向的應(yīng)力σyy狀態(tài)由壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變成拉應(yīng)力 (如圖4b、圖5b).在拉應(yīng)力σyy和σxx壓應(yīng)力的共同作用下，尖端變形區(qū)附近就會產(chǎn)生裂紋并擴展.

圖3 脆性材料彈塑性壓痕模型Fig.3 A model for elastic-plastic indentation for brittle materials

圖4 切屑成形模式Fig.4 Chip formation modes

圖5 切屑成形模式的MD仿真Fig.5 A MD simulation for chip formation mode

2 脆性-延性轉(zhuǎn)變臨界加工尺度分析模型

只有在一定的加工條件下，脆性材料才能通過塑性變形的方式被去除，實現(xiàn)延性域加工，得到?jīng)]有或幾乎沒有微裂紋的高質(zhì)量表面.加工尺度 (切屑厚度/切削深度)必須小于某一臨界值，這是實現(xiàn)脆性材料延性域加工的一個非常重要的條件.研究人員根據(jù)不同的加工條件提出了多個用來確定臨界加工尺寸 (臨界切屑厚度/切削深度)的分析模型.

Bifano等[1]根據(jù)斷裂力學(xué)的Griffth裂紋擴展判定準則和壓痕試驗的材料脆性測量原理，提出了脆性材料延性域磨削臨界切削厚度經(jīng)典模型dc=β(E/H)(K1c/H)2.其中:E、K1c、H分別為材料的彈性模量、斷裂韌度和硬度;β是無量綱的材料常數(shù).并以磨削表面裂紋10%時作為延性域磨削實現(xiàn)的判據(jù).

該模型是應(yīng)用顯微壓痕法建立起來的，緩慢的載荷施加過程近似于靜態(tài)，測出的材料斷裂韌度K1c是靜態(tài)值，這與實際磨削過程并不相符.在磨削過程中，磨粒與工件接觸會產(chǎn)生很大的沖擊作用，用靜態(tài)斷裂韌度K1c來研究動態(tài)裂紋產(chǎn)生、擴展的規(guī)律并不能正確反映材料在沖擊載荷作用下的動態(tài)斷裂特性.因此，有學(xué)者用材料的動態(tài)斷裂韌性K1D代替材料的靜態(tài)斷裂韌性K1c[5]，并對四棱錐金剛石壓頭的作用面積進行修正，得出了新的臨界切削深度表達式:dc=γ(K1D/H)2，其中:K1c、H分別為材料的動態(tài)斷裂韌度和硬度;γ是常數(shù).

上述模型都是以脆性材料的壓痕試驗為基礎(chǔ)，用受法向力作用的金剛石壓頭模擬磨粒，得到的是延性域磨削的近似模型.大量的實驗研究表明，脆性材料的臨界切削深度不只是取決于材料的力學(xué)性能，而且與具體的加工條件，如磨削工藝參數(shù)、磨削方式、砂輪的磨料粒度、磨刃鈍圓半徑等密切相關(guān).到目前為止，很多學(xué)者做了大量的脆性材料單顆磨粒磨削實驗，當磨粒的切削深度由小逐漸增大時，都能出現(xiàn)脆性-延性轉(zhuǎn)變，由于所用的實驗條件不同，所得到的臨界切削深度也不盡相同[6].

Nakasuji等[7]分析了刀具幾何形狀和加工條件對脆性材料延性域加工的影響，并建立了臨界切削厚度分析模型 (如圖6所示).

圖6 臨界切削厚度分析模型(車削)Fig.6 A critical undefomed chip thickness model of turning process

刀具幾何形狀和切削條件對材料內(nèi)部的應(yīng)力場狀態(tài)有影響.刀尖圓弧半徑、進給量、切削深度等會影響刀具與工件之間干涉區(qū)域的大小 (見圖7).如果選擇小的刀尖圓弧半徑、進給量和切削深度，刀具與工件之間的干涉區(qū)域也就小，相應(yīng)地，材料內(nèi)部應(yīng)力場尺寸也就變小，塑性變形有可能成為優(yōu)先的變形機制.因此，進給量、刀尖圓弧半徑等會影響臨界切削厚度的大小.切削厚度的臨界值其中:f是進給量;R是刀尖圓弧半徑;x是刀尖圓弧頂點到脆性-延性轉(zhuǎn)變點的距離.

圖7 刀具與工件的干涉區(qū)域模型Fig.7 Interference region between tool and workpiece

文獻 [7-8]認為，脆性材料的延性域加工并沒有必要在整個切削過程中材料都要以塑性變形的方式去除，只要接近已加工表面的那一部分材料是通過塑性去除，就能獲得鏡面的光潔度.基于此，他們使用圓弧切削刃金剛石車刀進行脆性材料的車削試驗，并提出了一個含有表層裂紋的加工模型 (如圖8、圖9所示).圖8是車削三維模型，圖9表示切削截面幾何形狀和臨界切削厚度之間的關(guān)系.

圖8 車削三維模型Fig.8 A 3D model of turning process

圖9 帶有表面微裂紋的車削模型Fig.9 A turning model with surface damaged depth

圖9中，f是進給量;R是切削刃半徑;dc是臨界切削厚度;yc是裂紋長度;zeff是刀具中心線到脆性轉(zhuǎn)變線的距離．由于使用的是圓弧刃刀具，從刀尖到待加工表面，切削厚度由零增加到最大值．當d小于dc時，材料通過塑性模式被去除，d大于dc時，材料開始發(fā)生脆性斷裂．如果裂紋沒有延伸到已加工表面 (見圖9a)，這些裂紋將會在后續(xù)的切削過程中被去除，因此仍可以得到光滑表面.但如果裂紋延伸到已加工表面，將不能在后續(xù)的切削過程中被去除 (見圖9b).在這個過程中，進給量非常重要，直接影響臨界切削厚度dc的大小及裂紋延伸的位置 (見圖10)．根據(jù)此加工模型建立了臨界切削厚度dc的計算公式:

進給量越小，dc就越大，裂紋將沿著刀尖圓弧上移，越不容易擴展到已加工表面;進給量越大，dc就越小，裂紋將沿著刀尖圓弧下移，就越容易擴展到已加工表面 (見圖9b).考慮到裂紋的影響，Blackley等[9]對式 (1)做了修正，并令zeff=0，得到最大進給量如果f大于fmax，則完全是脆性模式.

文獻[7-8]提出的加工模型都是建立在圓弧切削刃車刀切削脆性材料的試驗基礎(chǔ)上.而Yan等[10]則認為，使用圓弧切削刃刀具使得進給量必須在很小的水平 (1 μm).對于給定的切削面積，小的進給量意味著切削距離的增大，必然會加劇刀具的磨損.因此，他們提出了一個基于直頭車刀的加工模型 (如圖10所示)，分析了刀具幾何形狀對延性域加工的影響，建立了主偏角k、臨界進給量fc、臨界切削厚度dc的關(guān)系表達式:fc=dc/sin k．如果主偏角控制的足夠小，就可以實現(xiàn)大進給量的延性域車削．

圖10 直頭車刀加工模型Fig.10 Machining model of straight nose tool

Liu等[11]基于位錯強化理論和應(yīng)變梯度塑性理論分析了脆性材料切削過程中切屑的塑性變形機制.通過對切削區(qū)的切削力和幾何形狀的分析，考察了切屑變形區(qū)內(nèi)裂紋的擴展和位錯.研究結(jié)果表明，切屑塑性變形有兩個原因:一是由于切屑變形區(qū)內(nèi)的大的壓應(yīng)力和剪切應(yīng)力削弱了材料的應(yīng)力場強度因子KI，從而抑制了裂紋的擴展;二是由于位錯強化和應(yīng)變梯度而導(dǎo)致材料屈服強度的提高，使得工件材料能承受更大的切削應(yīng)力而不會斷裂.切屑變形區(qū)內(nèi)要產(chǎn)生大的壓應(yīng)力必須滿足兩個條件:未變形切屑厚度要小;未變形切屑厚度要小于刀具切削刃半徑.基于此，Liu等建立了脆性材料端面銑削臨界切削厚度幾何模型 (如圖11所示)，并由此得出臨界切削厚度值其中:a0是切削深度;f是進給量;R是刀尖圓弧半徑.

圖11 銑削加工示意圖Fig.11 Schematic illustration of milling process

馬春翔等[12]通過脆性材料溝槽切削試驗，研究了超聲波直線振動金剛石刀具和超聲波橢圓振動金剛石刀具對脆性材料臨界切削深度的影響，分析了超聲波振動金剛石刀具提高脆性材料臨界切削深度的原因，提出了用超聲波振動金剛石刀具對脆性材料切削溝槽的模型 (見圖12)，并且分別建立了在超聲橢圓振動和超聲直線振動金剛石刀具時的臨界切削深度模型.理論分析和試驗結(jié)果表明，與普通切削相比，超聲波振動金剛石刀具切削脆性材料溝槽時能增大臨界切削深度;并且在超聲波橢圓振動金剛石刀具切削脆性材料溝槽時臨界切削深度增大得更顯著.

圖12 脆性材料振動切削模型Fig.12 A model for vibration cutting of brittle materials

3 加工過程分子動力學(xué)仿真

分子動力學(xué)方法是研究微觀現(xiàn)象的一種非常有效的理論方法，在很多領(lǐng)域的應(yīng)用都已經(jīng)非常成熟和完善.許多學(xué)者也應(yīng)用這種方法來研究脆性材料的延性域加工，主要集中在切削、壓痕、磨削過程的研究，以及脆性材料微細加工過程中脆性-延性轉(zhuǎn)變規(guī)律和臨界條件.

林濱等[13]對單晶硅的納米磨削過程進行了分子動力學(xué)仿真，從微觀的角度解釋磨削過程中材料的去除機理和表面形成機理.研究表明，晶格重構(gòu)原子與一部分非晶層原子堆積在磨粒的前上方，由于磨粒不斷前移，形成磨屑而實現(xiàn)材料去除，處在磨粒前下方的非晶層原子在壓應(yīng)力作用下與已加工表層斷裂的原子鍵結(jié)合重構(gòu)形成已加工表面變質(zhì)層;變質(zhì)層由內(nèi)外兩層組成，外層為非晶層，內(nèi)層為晶格變形層.另外，有學(xué)者[14]應(yīng)用分子動力學(xué)仿真來研究磨粒加工過程的表面完整性，分析了磨粒加工對已加工表面的表面粗糙度、殘余應(yīng)力及裂紋的影響.

單晶硅切削過程的分子動力學(xué)仿真結(jié)果表明[15]，硅的非晶態(tài)相變是非彈性變形的關(guān)鍵原因;非晶態(tài)區(qū)域穩(wěn)定的剪切應(yīng)力是延性模式加工的必要條件，壓應(yīng)力場下穩(wěn)定的剪切應(yīng)力能抑制裂紋的擴展，切屑的去除過程與切削刃前端的剪切應(yīng)力分布有關(guān);切削刃前端的剪應(yīng)力分布與切削深度有關(guān);大切削刃鈍圓半徑 (相對于切削深度來說)和負前角在脆性材料切削過程中對產(chǎn)生塑性變形有益，有助于材料以塑性方式去除.

有學(xué)者對表面無缺陷的單晶硅微壓痕和微切削過程進行了分子動力學(xué)模擬[16]，發(fā)現(xiàn)材料的去除方式是脆性還是塑性有兩個臨界標準:一是存在斷裂面的拉應(yīng)力或滑移面的剪切力;二是應(yīng)力場的大小.

通過單晶硅壓痕過程的分子動力學(xué)模擬[17]，可以看出，壓痕過程的變形存在三個階段:初期變形階段，有位錯產(chǎn)生，以彈性變形為主;中期塑性變形階段，大量位錯產(chǎn)生并堆積，并發(fā)生塑性變形;非晶層的形成階段.

4 脆性材料延性域加工技術(shù)研究進展

1954年，KING等[18]首先提出了脆性材料的延性域加工特性.通過對巖鹽等脆性固體的強度和摩擦學(xué)特性的實驗研究，發(fā)現(xiàn)脆性固體在大的靜水壓力作用下，塑性屈服強度大大提高，脆性裂紋的擴展受到抑制，塑性變形成為材料表層的主要力學(xué)行為.

20世紀70年代，由于對精密磨削機制的深入理解，更多的脆性材料 (如玻璃、硅、陶瓷等)實現(xiàn)了延性域磨削.1987年，NCSU精密工程中心進行了單晶鍺的單點金剛石切削實驗，得到了延性-脆性遷移點臨界值.隨后，有關(guān)脆性-延性轉(zhuǎn)變機理、超精密磨床、超精密加工運動機理、高性能砂輪等的研究成果也陸續(xù)發(fā)表.20世紀90年代之后，隨著微車削、微銑削等精密微加工技術(shù)的發(fā)展，更多新的先進脆性材料 (Si3N4、SiC、WC)實現(xiàn)了延性域加工.

脆性材料延性域車削技術(shù)的研究主要集中在單點金剛石車削方面，機理研究側(cè)重于刀具幾何形狀、切削參數(shù)等對脆性-延性轉(zhuǎn)變的影響及臨界條件[19-23].由于車削是單刃加工技術(shù)，切屑相對比較厚，而且脆性材料硬度高，加工性能差，所以脆性材料的延性域車削一般都采用金剛石等超硬材料刀具，刃口半徑小，刀具前角為負前角 (-20°～-45°)，機床剛度好，精度高，可以得到納米級表面光潔度.但是，金剛石車削刀具磨損嚴重，加工成本相對較高，因此工程上的應(yīng)用受到限制.

微細銑削具有加工效率高、柔性大、能加工復(fù)雜三維形貌等優(yōu)點，近年來脆性材料的微細銑削得到了越來越廣泛的研究[24-27].國內(nèi)外學(xué)者研究重點仍是側(cè)重于加工機理，比如脆性-延性轉(zhuǎn)變的臨界切深及影響因素等.但由于銑刀的結(jié)構(gòu)及銑削加工過程有自身的特點，脆性材料延性域銑削的機理明顯不同于延性域車削.比如，應(yīng)用球頭銑刀對玻璃進行銑削實驗時，刀具傾斜的角度會影響臨界進給率.傾斜角為正時的臨界進給率要大于傾斜角為負時的臨界進給率，當傾斜角為45°時能獲得最大的進給率.有學(xué)者認為，徑向切深對臨界切削厚度沒有影響，徑向切深增大時最大切削力也不會增加.也有學(xué)者認為，在延性域加工時比切削能隨著切削深度的降低顯著增大，而在脆性切削區(qū)比切削能變得比較平穩(wěn).因此，通過比切削能的變化可以預(yù)測臨界切深，并且通過試驗求出了三種材料的臨界切深.研究結(jié)果還表明，切削深度與每齒進給量是影響加工過程中脆性-延性域轉(zhuǎn)變的兩個重要因素，切削時由于熱軟化效應(yīng)，實驗中獲得的臨界切削厚度要比理論中計算的要大.

磨粒加工是多點切削，磨刃的前角為負前角 (-15°～-60°)，一顆磨粒切下的切屑體積只有銑削時的1/50000～1/40000，所以在硬脆材料的延性域加工方法中，精密和超精密磨料加工在目前仍占據(jù)著主導(dǎo)地位[28-29].要實現(xiàn)脆性材料的延性域磨削，所有磨粒的切削深度必須小于臨界切削深度，而由于磨粒在砂輪表面的分布、出刃高度、磨粒密度、磨粒幾何形狀等都具有隨機性，另外，臨界切削深度還取決于材料的物理特性，磨削的方式，磨床的精度、剛度和磨削工藝參數(shù)等.因此，到目前為止，人們對脆性材料延性域磨削過程中脆性-延性轉(zhuǎn)變的特征、條件、臨界切削深度、材料去除機理以及表面形成機理的認知非常有限.

單純利用機械加工的方法實現(xiàn)脆性材料延性域加工存在著成本和效益的問題.近年來，在機械加工上施加多種形式的能量 (電能、熱能、聲能、化學(xué)能、光能及特殊機械能)而形成的復(fù)合加工技術(shù)在脆性材料延性域加工領(lǐng)域應(yīng)用日益廣泛.復(fù)合加工的主要技術(shù)方法有:切削復(fù)合加工、磨削復(fù)合加工、化學(xué)機械復(fù)合加工、電火花復(fù)合加工、電解復(fù)合加工、磁場輔助研拋加工等.其中，超聲輔助振動加工技術(shù)及激光輔助加工技術(shù)在脆性材料延性域加工中的應(yīng)用最受關(guān)注.

脆性材料只有在加工尺度小于某一臨界值時，才能實現(xiàn)延性域加工.由于加工尺度的臨界值在常規(guī)加工條件下很小，一般在1 μm的數(shù)量級甚至更小，這就導(dǎo)致加工效率低、加工時間長，而且在實踐上很難控制.許多學(xué)者[30-38]的研究結(jié)果表明，超聲振動輔助加工 (模型見圖13)可以大大地提高脆性材料的臨界切深.Klocke等用超聲振動輔助加工 (UVAM)系統(tǒng)對玻璃進行切削，得到3 μm的臨界切深;Gan等用1D超聲振動加工系統(tǒng)在硅的延性域加工中得到2 μm的臨界切深，表面粗糙度Ra達到100 nm;還有學(xué)者應(yīng)用1D或2D超聲振動輔助加工系統(tǒng)對SiC、WC進行延性域切削研究，分別得到3.5 μm和15 μm的臨界切深.超聲振動輔助加工之所以能夠大大提高脆性材料的臨界切深，主要是因為，在超聲振動輔助加工過程中，刀具與工件的周期性分離大大地降低了切削力.低的切削力會減小微裂紋的擴展深度并遠離已加工表面，有利于在后續(xù)的加工中被去除.微裂紋的擴展深度與臨界切削厚度有關(guān)，減小微裂紋的擴展深度實質(zhì)上是提高了臨界切削厚度.

圖13 超聲振動切削模型Fig.13 Models of ultrasonic ribration machining

激光輔助加工 (LAM)技術(shù)也被用于脆性材料的延性域加工[39-42].脆性材料的臨界切削厚度與工件材料的硬度成反比，降低工件材料的硬度會提高臨界切削厚度.有學(xué)者利用高能量激光輔助系統(tǒng)對工件材料進行軟化，聚焦的、能量密度很高的激光束照射到切削刀具前方的被切削材料，使之受熱軟化，然后用切削刀具把它切除.激光輔助加工包括激光輔助切削、銑削、磨削等，加工模型如圖14所示，同傳統(tǒng)加工方式相比，它具有降低材料的去除比能、切削力，減少殘余應(yīng)力、刀具磨損，避免刀具崩刃和材料裂紋等優(yōu)點.目前對于激光輔助加工機理的認識還不深入，如材料去除時的溫度分布以及溫度是如何影響切削力、刀具磨損和表面質(zhì)量，材料在高溫下如何變形等.加工過程中熱作用參數(shù)的控制，激光參數(shù)和切削參數(shù)之間的相互關(guān)系，對建立合理的熱-機械模型至關(guān)重要，也有助于實現(xiàn)加工過程的在線控制.

圖14 激光輔助加工模型Fig.14 Models of laser-assisted machining

5 結(jié)語

近幾十年來，脆性材料的延性域加工技術(shù)已經(jīng)成為新的研究熱點，研究成果也達到了較高的水平.但是，由于加工過程非常復(fù)雜，影響因素非常多，脆性材料延性域加工技術(shù)的研究仍存在許多難點.未來的研究工作應(yīng)該著重從以下幾個方面展開:

1)豐富和發(fā)展脆性-延性轉(zhuǎn)變機理.隨著加工機床性能的不斷提高，以及傳感器技術(shù)不斷發(fā)展，在加工過程中人們必然會發(fā)現(xiàn)更多的新現(xiàn)象、新結(jié)果，必須充分理解新現(xiàn)象、新結(jié)果背后的規(guī)律，不斷地豐富和發(fā)展脆性-延性轉(zhuǎn)變機理的認識.計算機和仿真技術(shù)的發(fā)展也將有益于人們對于加工機理的認識.

2)當前，脆性-延性轉(zhuǎn)變的檢測和判斷大多是通過觀察已加工表面形貌來確定，帶有一定的主觀性，有必要發(fā)展新的方法和手段實現(xiàn)脆性-延性轉(zhuǎn)變的實時、在線的精確檢測.Bifano等[43]提出用加工過程中產(chǎn)生的聲發(fā)射能來判斷脆性-延性轉(zhuǎn)變.由于延性加工會比脆性加工具有更大的材料結(jié)合鍵的破壞，因而產(chǎn)生的聲發(fā)射能也更大.因此，可以用檢測到的聲發(fā)射能來實現(xiàn)臨界切削深度的控制.

3)發(fā)展新的加工技術(shù)，有效提高臨界加工尺度.現(xiàn)在的臨界加工尺度一般在微米/亞微米，甚至是納米級，對加工機床的精度要求很高，在實踐中也不易控制.是否能發(fā)展新的加工手段，在保證加工質(zhì)量的同時，能大幅度地提高臨界加工尺度，從而提高加工效率及擴大工程上的應(yīng)用.超聲振動輔助加工技術(shù)和激光輔助加工技術(shù)在脆性材料延性域加工中的應(yīng)用已經(jīng)越來越受到研究人員的關(guān)注.

4)研究人員雖然提出了多個臨界加工尺度的分析模型，但這些模型都有一定的局限性，都必須滿足一定的加工條件.隨著人們對脆性-延性轉(zhuǎn)變機理認識地不斷深入，臨界加工尺度的分析模型必然會更復(fù)雜、更精確，更具有普遍性.

5)由于材料結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，人們對脆性材料延性域加工的表面完整性仍未有充分地理解和認識.未來的研究工作應(yīng)更加關(guān)注材料表層次表層損傷的產(chǎn)生機制和評價.

可以預(yù)料的是，隨著多晶材料、纖維增強基復(fù)合材料等先進脆性材料的出現(xiàn)，脆性材料延性域加工技術(shù)的研究內(nèi)容將越來越豐富，廣度和深度將達到一個更高水平.

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