硬脆材料超聲輔助磨削技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望*

丁 凱，李奇林，蘇宏華，陳玉榮

(1.江蘇理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常州 213001)(2.南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，南京 210016)

硬脆材料、復(fù)合材料如先進(jìn)陶瓷材料[1]、光學(xué)玻璃/晶體[2-3]、陶瓷基復(fù)合材料[4-6]、CFRP[7-8]等一般具有密度低、強(qiáng)度高、耐高溫、耐磨損等性能，在航空航天、空間技術(shù)、醫(yī)學(xué)、精密制造等領(lǐng)域具有極其廣闊的應(yīng)用前景[9]。工程應(yīng)用時，此類構(gòu)件一般需經(jīng)機(jī)械加工以達(dá)到其較高的尺寸形狀精度和表面質(zhì)量要求，同時要求較小的切削力以盡量減小加工時的機(jī)械損傷[10-11]。由于其具有高硬脆性特點(diǎn)，目前國內(nèi)外針對此類材料最廣泛采用的加工方法是金剛石砂輪磨削加工法[6]。

迄今為止，國內(nèi)外學(xué)者已采用多種工藝對硬脆材料開展磨削加工研究，如緩進(jìn)給磨削、高速磨削、高速深磨[12-13]等。在這些磨削工藝下，硬脆材料去除方式基本以脆性去除為主[11, 13-14]，常引起材料表面/亞表面損傷，造成零件加工后的力學(xué)性能下降進(jìn)而影響其使用性能；而研磨和拋光雖可有效改善其加工表面的損傷狀況，但生產(chǎn)效率很低。1991年，BIFANO等[15]提出了延性域磨削概念，認(rèn)為采用高剛度、高分辨率的精密磨床，且在控制進(jìn)給率、小切深條件下，當(dāng)單顆磨粒磨削厚度小于某一個臨界值時，硬脆材料的去除將以塑性方式進(jìn)行。1996年，MALKIN等[16]系統(tǒng)總結(jié)了其他學(xué)者的研究成果，認(rèn)為除磨削載荷、磨削尺度以外，硬脆材料磨削過程中的脆延性轉(zhuǎn)變還依賴于刀具半徑、磨粒前角、材料的晶粒尺寸與晶向、切削方向等。2005年，PATTEN等[17]通過單點(diǎn)金剛石車削單晶碳化硅試驗(yàn)證明，在切深小于500 nm條件下，分布于切削區(qū)域的高壓相變現(xiàn)象導(dǎo)致SiC材料以延性方式去除；2017年，LI等[18]對單晶硅的磨削研究表明，在切深100 nm條件下，材料將主要以延性方式被去除。綜合上述研究可以發(fā)現(xiàn)，硬脆材料的延性域磨削技術(shù)對機(jī)床的剛度、運(yùn)動精度及加工環(huán)境等要求極為嚴(yán)格[15]，同時對磨削工藝參數(shù)的要求也較為苛刻。這些要求決定了硬脆材料精密加工的低效率與高成本。因此，尋找其他可實(shí)現(xiàn)硬脆材料高效優(yōu)質(zhì)加工的先進(jìn)技術(shù)迫在眉睫。

超聲輔助磨削是集普通磨削與超聲加工于一體的高性能復(fù)合加工技術(shù)。該技術(shù)是在傳統(tǒng)機(jī)械加工中工具與工件相對運(yùn)動的基礎(chǔ)上，通過超聲振動裝置在工具或者工件上施加超聲振動，以求改善材料加工性能的一種方法[19-22]。由于引入了超聲振動作用，工具與工件之間的接觸狀態(tài)和作用機(jī)理均發(fā)生變化，材料去除機(jī)理也得以改變。諸多研究[6, 23-26]表明，在一定的工藝條件下，相比于普通磨削，超聲輔助磨削可降低磨削力、砂輪磨損量并改善加工質(zhì)量，是一種非常適合于硬脆材料的先進(jìn)加工技術(shù)。

本文首先對不同超聲振動條件下的硬脆材料超聲輔助磨削加工的振動類型及其加工特性進(jìn)行了總結(jié)；在此基礎(chǔ)上，對硬脆材料超聲振動輔助作用下的延性域磨削機(jī)理、超聲輔助磨削時振動參數(shù)與磨削工藝參數(shù)的匹配性進(jìn)行了綜述；最后對硬脆材料超聲輔助磨削技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了展望。

1 超聲輔助磨削的振動類型及其加工特性

1.1 超聲輔助磨削振動類型

迄今為止，國內(nèi)外學(xué)者已對不同振動類型(振動維數(shù)、振動方向及與磨削加工表面的相對位置關(guān)系)下不同種類的硬脆材料開展了超聲輔助磨削研究。綜合現(xiàn)有報道可以發(fā)現(xiàn)，不同的振動類型產(chǎn)生的加工效果有顯著差異。按照振動維數(shù)的不同，超聲輔助磨削的振動形式包括一維振動及二維振動[27-29]：一維振動即超聲振動系統(tǒng)只沿一個方向產(chǎn)生振動，振動方向平行或者垂直于磨削加工表面；二維振動指超聲振動系統(tǒng)沿2個方向同時產(chǎn)生振動。

1.1.1 一維超聲振動輔助磨削

一維振動形式下，常見的超聲振動類型有3種，分別為沿砂輪軸向振動、徑向振動及切向(扭轉(zhuǎn))振動，如圖1所示[27]。在圖1所示的位置關(guān)系下，振動方向與磨削表面的位置關(guān)系包括平行(軸向/切向振動)和垂直(徑向振動)2種狀態(tài)。

(1)超聲振動方向平行于磨削表面

20世紀(jì)60年代，隈部淳一郎[30]對振動方向沿砂輪軸向的超聲輔助磨削進(jìn)行了研究，首先提出了超聲輔助磨削表面微細(xì)溝槽自成機(jī)理。他認(rèn)為相比于普通磨削，超聲輔助磨削時砂輪工作層同一圓周、軸線方向上相鄰磨粒的運(yùn)動軌跡之間出現(xiàn)交錯重疊現(xiàn)象或者在原有基礎(chǔ)上得以強(qiáng)化(見圖2)，使得切屑被截短、體積變小，因此可獲得較小的磨削力和較優(yōu)的表面質(zhì)量。張洪麗等[31-33]的研究也支持這一觀點(diǎn)。閆燕艷[32]認(rèn)為，當(dāng)磨粒平均直徑小于軸向超聲振幅時，磨粒之間完全干涉、切削路徑相互截斷的效果得以強(qiáng)化，磨削表面上未切除痕跡將完全“消失”，最終達(dá)到了鏡面加工效果。

圖2 超聲振動方向平行于磨削表面時的作用機(jī)理

在沿砂輪切線方向超聲振動條件下，WANG等[34]通過理論及仿真分析認(rèn)為，磨削表面形成于單顆磨粒及相鄰磨粒運(yùn)動軌跡之間的相互重疊及干涉交錯作用。YANG等[35]的研究也獲得了類似的結(jié)論，并且提出了“接觸率”(contact rate)這一概念，認(rèn)為接觸率由磨削參數(shù)和超聲振動參數(shù)共同決定，進(jìn)而影響磨削過程中的超聲振動效應(yīng)。張洪麗[31]通過理論分析認(rèn)為：切向超聲振動輔助磨削過程中，部分磨粒與磨削表面存在分離過程，即同時參加切削的磨粒數(shù)量會減少；而由于砂輪“后退-前進(jìn)”的往復(fù)運(yùn)動特性，磨削表面在形成以后，將再次受到砂輪工作層磨粒的反復(fù)熨壓作用，從而有助于提高磨削表面質(zhì)量。此外，切向超聲振動作用下工件材料的軟化效應(yīng)及超聲振動潤滑效應(yīng)顯著，也使得磨削力降低且更容易實(shí)現(xiàn)延性域磨削。

(2)超聲振動方向垂直于磨削表面

MULT等[36]在工件振動條件下開展了超聲輔助磨削研究。他認(rèn)為，由于工件的正弦運(yùn)動軌跡特征，磨粒在磨削過程中與工件呈斷續(xù)接觸狀態(tài)，總接觸時間減少，使得磨粒與磨削表面間的摩擦作用大幅度減弱；同時，磨削液的冷卻潤滑效果得以大幅度增強(qiáng)。此外，磨粒以更大的動能錘擊工件表面，從而促進(jìn)了表面微裂紋生成(見圖3)。UHLMANN等[37]持相同觀點(diǎn)，同時通過氮化硅普通磨削與超聲輔助磨削對比實(shí)驗(yàn)研究，認(rèn)為超聲輔助磨削可強(qiáng)化砂輪的自銳效應(yīng)并增大磨削表面的殘余壓應(yīng)力，對改善硬脆材料的可加工性具有重要意義。

FRANK等[38]的研究表明，在這種振動形式下，相比于普通磨削，超聲輔助磨削顯著增大了材料的脆性去除比例及材料去除率。TESFAY等[39]則認(rèn)為由于砂輪與工件間接觸時間縮短、摩擦作用及載荷降低，與普通磨削相比，超聲輔助磨削可顯著降低生物陶瓷材料加工邊緣的破碎損傷尺寸。ZHENG等[40]通過單顆磨?？虅潓?shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)振動方向垂直于刻劃表面時，超聲振動作用可降低磨削力，增大材料去除率，減輕磨粒表面磨屑黏附，但加劇了磨粒的破碎。

圖3 超聲振動方向垂直于磨削表面時的作用機(jī)理

1.1.2 二維超聲振動輔助磨削

目前常見的二維超聲振動主要有2種，分別為沿砂輪軸向和切向同時振動、沿砂輪軸向和徑向同時振動[27]，如圖4所示。

閆燕艷[32]研制了工件沿砂輪軸向和徑向同時振動的二維超聲振動輔助磨削裝置。通過不同振動形式下的單顆磨粒切削軌跡仿真，可知單顆磨粒切削軌跡為螺旋式。這一運(yùn)動形式使得二維超聲輔助磨削過程中，一方面磨粒與工件呈斷續(xù)切削狀態(tài)，有利于磨粒切削刃保持鋒利及磨削溫度的降低；另一方面磨粒軌跡間的相互干涉效應(yīng)也得以強(qiáng)化，改善了加工表面的質(zhì)量。由于表面形成和磨削機(jī)理的改變，使磨削過程中磨削力降低，加工表面質(zhì)量改善，同時砂輪耐用度也得以增強(qiáng)。

LIANG等[41]開發(fā)了工件沿砂輪軸向和徑向同時振動的二維超聲振動輔助磨削裝置。由于該裝置產(chǎn)生的超聲振動兼具了軸向及徑向超聲振動的運(yùn)動特征，其磨削作用同時具備了軸向超聲輔助磨削時的磨粒切削軌跡重疊作用和徑向超聲輔助磨削時的斷續(xù)磨削(冷卻潤滑效應(yīng)增強(qiáng))、錘擊作用(砂輪自銳性增強(qiáng)、磨削表面裂紋易于萌生和擴(kuò)展)。WANG等[42]的研究則表明，該形式的二維超聲振動輔助磨削可有效增大砂輪磨削過程中的有效磨粒數(shù)及切削刃密度，即超聲振動作用顯著改善了砂輪的切削能力。CAO等[43]通過仿真及單顆磨?？虅潓?shí)驗(yàn)研究了砂輪徑向及軸向振動條件下SiC材料的去除機(jī)理，認(rèn)為在此條件下，超聲振動形成的磨粒對加工表面的沖擊作用(主要源于軸向振動)使變形區(qū)域擴(kuò)展，進(jìn)而增大了刻劃深度、徑向與橫向裂紋。

綜上所述，一維超聲振動方向與磨削表面位置不同時，超聲振動作用通過不同的作用機(jī)制影響磨削過程，從而使得超聲輔助磨削具有相應(yīng)的優(yōu)勢；而通過不同方向超聲振動的復(fù)合，則可實(shí)現(xiàn)各自優(yōu)勢的疊加，對于實(shí)現(xiàn)硬脆材料優(yōu)質(zhì)高效加工具有重要意義。

1.2 超聲輔助磨削加工特性

與不同的超聲振動作用機(jī)制相對應(yīng)，當(dāng)超聲振動維數(shù)、振動方向與磨削表面位置不同時，超聲輔助磨削可分別具有降低磨削力、改善工件表面加工質(zhì)量等優(yōu)勢。

1.2.1 磨削力

磨削力與磨削表面粗糙度、砂輪磨損狀態(tài)、磨削比能等均有直接關(guān)系，是用來判定磨削狀態(tài)的重要參數(shù)。一維振動條件下，當(dāng)超聲振動方向平行于磨削表面時，JIANG等[44]對K9光學(xué)玻璃開展了超聲輔助磨削實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)法向磨削力隨振幅的增大而降低；SUN等[45]基于材料去除機(jī)理分析建立了超聲輔助磨削力模型，并通過微晶玻璃超聲輔助磨削實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明：磨削力模型計(jì)算值與測量值之間的誤差在11.5%以下；此外，相比于普通磨削，超聲輔助磨削可降低法向力約27.3%、切向力約22.5%。而當(dāng)超聲振動方向垂直于磨削表面時，MULT等[36]針對Al2O3、Si3N4的超聲輔助磨削實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：超聲振動作用可顯著降低磨削力，其中法向力最大降低幅度可達(dá)50%；LIANG等[41]的超聲輔助磨削單晶硅的實(shí)驗(yàn)同樣表明：超聲振動作用最大可降低法向磨削力約50%，而在二維振動條件下，超聲輔助磨削相比于普通磨削可降低磨削力約30%。

1.2.2 表面粗糙度

一維振動條件下，當(dāng)超聲振動方向平行于磨削表面時，JIANG等[44]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，K9光學(xué)玻璃超聲輔助磨削表面粗糙度隨振幅的增大有所增大，但影響程度弱于磨削速度、磨削深度等參數(shù)的。SUN等[45]開展的微晶玻璃普通磨削與超聲輔助磨削對比實(shí)驗(yàn)則表明，相比于普通磨削，超聲輔助磨削可降低表面粗糙度約18%。當(dāng)超聲振動方向垂直于磨削表面時，MULT等[36-37]的研究均表明超聲振動作用將使磨削表面粗糙度略有增大；LIANG等[41]的研究也得到了相同的結(jié)論。二維振動條件下，JIA等[46]研究了ZrO2陶瓷在二維超聲振動輔助磨削與普通磨削條件下的加工表面質(zhì)量差異。結(jié)果表明，與普通磨削相比，該形式的二維超聲輔助磨削可顯著改善工件表面粗糙度。ZHAO等[47]開發(fā)了新型二維超聲輔助磨削裝置，并應(yīng)用該裝置開展了氧化鋯陶瓷的普通磨削及超聲輔助磨削對比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明二維超聲輔助磨削可降低表面粗糙度，最大降低幅度可達(dá)30%。

綜合現(xiàn)有研究可以看出，對于超聲振動方向平行于磨削表面的一維超聲振動輔助磨削或者二維超聲振動輔助磨削而言，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在可同時降低磨削力及表面粗糙度；而對于超聲振動方向垂直于磨削表面的一維超聲振動輔助磨削，其主要優(yōu)勢則體現(xiàn)在磨削力的大幅降低，但同時表面粗糙度略有增大。

2 硬脆材料超聲輔助磨削加工機(jī)理

2.1 延性域加工機(jī)理

自從1991年BIFANO等[15]系統(tǒng)提出硬脆材料延性域磨削技術(shù)以來，國內(nèi)外學(xué)者針對這一領(lǐng)域進(jìn)行了大量的研究。BIFANO等[15, 48]從磨削比能的角度進(jìn)行了脆性材料磨削時材料去除方式脆延性轉(zhuǎn)變分析，并建立了基于材料力學(xué)性能的脆延轉(zhuǎn)變臨界切厚模型；MALKIN等[16]對硬脆材料延性域磨削的諸多影響因素進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)；VENKATACHALAM等[49-50]也分別從斷裂韌性模型、切削比能模型角度預(yù)測了硬脆材料的脆延轉(zhuǎn)變臨界切厚；PATTEN等[17]的研究表明切削區(qū)域的高壓相變現(xiàn)象是導(dǎo)致硬脆材料實(shí)現(xiàn)延性去除的主要原因；而XIAO等[51]的研究則表明高壓相變及位錯活動的共同作用導(dǎo)致了脆性材料的延性去除，其中位錯活動起主要作用。除此之外，CHENG等[52-57]也從不同角度研究了硬脆材料的延性域磨削。然而，如前所述，現(xiàn)有磨削技術(shù)雖然可以實(shí)現(xiàn)硬脆材料的延性域磨削，但仍然存在一些問題，例如要求機(jī)床具有高剛度及高分辨率、高運(yùn)動精度、較低水平的磨削工藝參數(shù)等，條件相對較為苛刻，同時加工效率相對較低。在這種背景下，許多技術(shù)人員尋求其他加工方法以突破上述技術(shù)瓶頸。從諸多研究來看，超聲輔助磨削在硬脆材料精密加工領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢，應(yīng)用潛力巨大。

依據(jù)BIFANO等[15]提出的脆性材料延性域磨削理論，實(shí)現(xiàn)硬脆材料的延性域磨削應(yīng)滿足最大單顆磨粒切厚小于脆-延轉(zhuǎn)變臨界切厚這一條件。對于超聲輔助磨削而言，同樣應(yīng)遵循這一原則。因此，脆-延轉(zhuǎn)變臨界切厚、最大單顆磨粒切厚是硬脆材料超聲輔助磨削過程中的2個關(guān)鍵參數(shù)。一方面，相比于普通磨削，超聲輔助磨削時工具、工件間的接觸狀態(tài)和相對運(yùn)動狀態(tài)發(fā)生了顯著變化，磨粒與加工表面之間存在高頻變化的強(qiáng)沖擊作用，磨削弧區(qū)應(yīng)力場分布也發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致材料內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生及擴(kuò)展機(jī)制不同，最終影響了硬脆材料的脆-延轉(zhuǎn)變臨界切厚[58-59]；另一方面，由于超聲振動作用(尤其是平行于磨削表面的振動作用)的引入，砂輪工作層磨粒的運(yùn)動軌跡由普通磨削時的擺線變化為空間曲線，致使磨削弧區(qū)內(nèi)的磨粒運(yùn)動軌跡長度延長且相互干涉重疊，單顆磨粒切厚減小。這兩方面的共同作用決定了超聲輔助磨削更易于實(shí)現(xiàn)硬脆材料的延性域加工。

2.1.1 超聲振動作用對脆-延轉(zhuǎn)變臨界切厚的影響

BIFANO等[15]通過顯微壓痕法在靜態(tài)緩慢加載條件下建立了適用于先進(jìn)陶瓷普通磨削時的脆-延轉(zhuǎn)變臨界切厚模型。但超聲輔助磨削條件與此差別較大，該模型是否適用仍需進(jìn)一步研究。

梁志強(qiáng)等[60]基于光滑質(zhì)點(diǎn)流體動力學(xué)法對不同沖擊速度下Al2O3陶瓷材料的內(nèi)部裂紋產(chǎn)生與擴(kuò)展情況進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明：超聲振動效果越強(qiáng)側(cè)向裂紋越易于產(chǎn)生，但會導(dǎo)致擴(kuò)展速度降低、尺寸減小，工件材料延性域去除范圍變大。CHEN等[61]建立了硬脆材料橢圓超聲振動輔助磨削的磨削比能模型，在此基礎(chǔ)上采用MATLAB對脆-延轉(zhuǎn)變臨界切厚進(jìn)行了預(yù)測，結(jié)果表明：砂輪軸向振動可增大臨界切厚值，而砂輪徑向振動是否有益于延性域磨削取決于振幅水平是否合理；同時，超聲振動頻率對材料延性去除也是非常重要的參數(shù)。

除仿真分析外，單顆磨粒磨削方法可在與磨削加工相似的磨粒與材料干涉作用過程中不受其他磨粒的影響，同樣是研究復(fù)雜超聲輔助磨削過程中硬脆材料脆-延轉(zhuǎn)變臨界切厚變化規(guī)律和影響因素的有效手段[62-64]。ZHOU等[63]采用金剛石壓頭對BK7及JGS1玻璃開展了超聲輔助刻劃實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為超聲振動作用可顯著增大玻璃材料的脆-延轉(zhuǎn)變臨界切厚。LIANG等[64]研究了單顆金剛石磨粒橢圓超聲振動輔助刻劃單晶藍(lán)寶石材料的劃痕微觀形貌及橫截面深度、寬度尺寸，發(fā)現(xiàn)壓電陶瓷輸入電壓從0 V(普通磨削)增大至50 V、100 V(振幅相應(yīng)增大)時，脆-延轉(zhuǎn)變臨界切厚從0.312 μm相應(yīng)增大至0.509 μm、1.146 μm，同樣表明超聲輔助磨削更易于實(shí)現(xiàn)延性域磨削。

2.1.2 超聲振動作用對最大單顆磨粒切厚的影響

根據(jù)磨削理論，普通磨削時砂輪工作表面單顆磨粒與工件的干涉作用可用單顆磨粒最大切厚agmax來表示，該參數(shù)是影響磨削過程的主要因素，直接影響了磨削力、磨削比能、砂輪磨損、表面粗糙度，加工表面殘余應(yīng)力性質(zhì)、大小和分布狀態(tài)[65]。相同地，可以推斷超聲輔助磨削時同樣存在影響加工過程的關(guān)鍵參數(shù)單顆磨粒最大切厚aUgmax。因此，控制aUgmax是控制超聲輔助磨削過程及加工質(zhì)量的重要途徑。隈部純一郎等[30-31]的著作均提到，對于振動方向平行于磨削表面的狀態(tài)，單顆磨粒切厚減小從而使得超聲輔助磨削表面質(zhì)量得以改善。

對于普通磨削，砂輪直徑、砂輪工作面磨粒分布、磨削用量等參數(shù)直接決定agmax的大小，MALKIN已建立了準(zhǔn)確的數(shù)值模型[66]。對于超聲輔助磨削過程，JAIN等[67]在將單顆磨粒運(yùn)動曲線由空間正弦曲線簡化為三角形的條件下研究了單顆磨粒切厚，結(jié)果表明：除工具參數(shù)和磨削用量之外，單顆磨粒切厚還與振幅、諧振頻率相關(guān)，但沒有詳細(xì)闡述振動參數(shù)對單顆磨粒切厚的影響規(guī)律。另外，該研究對超聲輔助磨削過程中的磨粒運(yùn)動軌跡曲線做了較大程度的簡化，計(jì)算精度有待于進(jìn)一步提高。整體而言，由于目前尚沒有成熟的aUgmax模型，振動頻率及振幅對aUgmax的影響也難以精確描述。

綜上所述，目前國內(nèi)外研究人員已經(jīng)對超聲輔助磨削硬脆材料實(shí)現(xiàn)延性域加工時的2個關(guān)鍵參數(shù)(即脆-延轉(zhuǎn)變臨界切厚和單顆磨粒最大切厚)開展了相關(guān)研究，但尚沒有建立精確的數(shù)值模型，阻礙了硬脆材料延性域磨削技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

2.2 粉末化加工機(jī)理

除延性域磨削外，也有學(xué)者提出了不同的硬脆材料磨削加工機(jī)理，即粉末化去除機(jī)理。1994年，ZHANG等[68]在其研究中做出如下論述：在陶瓷材料磨削加工過程中，能量主要耗散于材料內(nèi)部的變形抵抗機(jī)制。對于精密磨削工藝而言，當(dāng)陶瓷材料晶粒從微米級破碎成亞微米級甚至更小的尺寸時，將出現(xiàn)材料粉末化現(xiàn)象，且材料碎化是晶粒滑移與解理現(xiàn)象的進(jìn)一步擴(kuò)展，因此其將消耗比脆性斷裂、塑性變形更多的能量。這意味著在微小磨削深度條件下，粉末化可能是最主要的材料去除機(jī)理，而非脆性斷裂和塑性變形。隨后他針對Si3N4和Al2O3陶瓷開展了磨削試驗(yàn)，結(jié)果表明：當(dāng)磨粒切厚小于某一臨界值時，材料僅以粉末化形式被去除，而沒有觀察到塑性去除方式。而粉末化去除的主要影響因素為砂輪結(jié)合劑類型、磨粒粒度及材料性能。ZHANG還從原子角度對粉末化去除機(jī)理進(jìn)行了解釋，即：陶瓷材料磨削時，磨削弧區(qū)存在著流體靜壓應(yīng)力、剪切應(yīng)力和拉應(yīng)力疊加作用的復(fù)雜應(yīng)力場；在應(yīng)力作用下，材料內(nèi)部首先出現(xiàn)晶格畸變或彈性變形；隨著剪切應(yīng)力增大，某些滑移面首先出現(xiàn)位錯現(xiàn)象；剪切應(yīng)力進(jìn)一步增大，將出現(xiàn)結(jié)合鍵斷裂，相應(yīng)地材料表現(xiàn)為粉末化去除。

基于上述研究，ZHANG在其本人或其參與的后續(xù)研究[69-72]中，采用類似的方法對硬脆材料磨削加工亞表面損傷形式、形成機(jī)理、影響因素等進(jìn)行了嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的研究，極大地豐富了硬脆材料磨削加工理論。而在硬脆材料超聲輔助磨削研究領(lǐng)域，關(guān)于粉末化加工機(jī)理的相關(guān)研究尚沒有相關(guān)報道，上述研究成果具有很好的借鑒意義。

3 超聲振動參數(shù)與磨削工藝匹配性

諸多研究[26-27, 30-32, 36-37]表明，超聲振動狀態(tài)下磨粒運(yùn)動軌跡的變化，直接決定了超聲輔助磨削具有磨粒軌跡重疊、斷續(xù)磨削等特征，使得脆-延轉(zhuǎn)變臨界切厚、單顆磨粒切厚水平發(fā)生變化，最終改變了硬脆材料磨削加工機(jī)理。而超聲輔助磨削時磨粒運(yùn)動軌跡的變化程度則由磨削用量與超聲振動參數(shù)共同決定。因此，磨削用量與超聲振動參數(shù)的匹配性與超聲輔助磨削效果直接相關(guān)。

目前，國內(nèi)外研究人員在磨削用量與超聲振動參數(shù)匹配性方面開展了廣泛研究。在超聲振動方向平行于磨削表面條件下，AZARHOUSHANG等[73-75]分別對C/C-SiC復(fù)合材料、Si3N4、ZrO2進(jìn)行了超聲輔助磨削加工。其中，AZARHOUSHANG等[73]在磨削速度vs= 30～120 m/s，進(jìn)給速度vw= 0.5～3.0 m/min，磨削深度ap= 0.05～6.00 mm，諧振頻率f= 20 kHz，振幅A= 8 μm條件下的研究結(jié)果表明：與普通磨削相比，超聲輔助磨削可降低磨削力約20%、表面粗糙度約30%。WANG等[74]在vs= 0.84～2.10 m/s，vw= 0.1～0.4 m/min，ap= 5～20 μm，f= 28 kHz，A= 10 μm條件下對Si3N4進(jìn)行了普通磨削與超聲輔助磨削對比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)與普通磨削相比，超聲輔助磨削可降低磨削力約28%～40%。YANG等[75]在vs= 1.2～2.1 m/s，vw= 20～42 mm/min，ap= 15～45 μm，f= 20 kHz，A= 6～20 μm條件下對ZrO2進(jìn)行了超聲輔助磨削對比試驗(yàn)，結(jié)果表明：超聲輔助磨削可降低磨削力約12.1%～37.6%。而在超聲振動方向垂直于磨削表面的條件下，從MULT等[36-37,41,76]的研究結(jié)果也可以看出，即使在超聲振動參數(shù)近乎相同、磨削用量差別較大的情況下，也可以產(chǎn)生非常接近的超聲輔助磨削效果。

上述研究充分證實(shí)了在較大范圍的磨削用量條件下，超聲輔助磨削均能體現(xiàn)降低磨削力、改善磨削表面質(zhì)量的優(yōu)勢。而對于如何實(shí)現(xiàn)超聲振動參數(shù)與磨削用量更好的優(yōu)化組合以充分發(fā)揮超聲振動作用，現(xiàn)有研究則涉及較少。DING等[77]通過單因素實(shí)驗(yàn)法對磨削用量與超聲振動參數(shù)匹配性進(jìn)行了初步研究，結(jié)果如圖6所示。圖6中，UAG表示超聲輔助磨削，CG表示普通磨削，KF表示相同條件下超聲輔助磨削相比于普通磨削時的磨削力降低幅度，用以表征超聲振動作用效果的強(qiáng)弱。結(jié)果表明：隨磨削速度的增大，KF值逐漸降低，意味著磨削速度的增大弱化了超聲振動作用的效果。但圖5的試驗(yàn)中所采用的磨削速度仍較低，在1.26～31.50 m/s之間。整體而言，如何進(jìn)行磨削用量與超聲振動參數(shù)的匹配性優(yōu)化以促進(jìn)硬脆材料延性域磨削的實(shí)現(xiàn)仍有待于進(jìn)一步研究。

圖5 磨削速度對磨削力及KF的影響[77]

4 展望

綜合現(xiàn)有研究可知，對于硬脆材料而言，超聲輔助磨削技術(shù)具有降低磨削力、改善表面質(zhì)量、更易于實(shí)現(xiàn)延性域磨削等優(yōu)勢，應(yīng)用前景廣闊。但同時應(yīng)認(rèn)識到，超聲輔助磨削技術(shù)在如下幾方面的研究仍需加強(qiáng)，以促進(jìn)該技術(shù)在硬脆材料加工領(lǐng)域的工程化應(yīng)用。

(1)振幅及振動頻率對超聲輔助磨削性能具有決定性的影響。因此，致力于研發(fā)振動性能長久保持穩(wěn)定的超聲振動系統(tǒng)，并研發(fā)能夠在超聲輔助磨削過程中實(shí)時測量振動振幅的動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)具有重要意義。

(2)超聲振動狀態(tài)下砂輪表面磨粒運(yùn)動狀態(tài)的變化，是超聲輔助磨削具有一系列優(yōu)勢的重要原因。而傳統(tǒng)燒結(jié)或電鍍砂輪工作層磨粒以隨機(jī)分布為主，一定程度上影響了磨粒運(yùn)動軌跡的可控性。因此，基于磨粒運(yùn)動軌跡要求設(shè)計(jì)相應(yīng)的砂輪工作層磨粒排布方式，是充分保證超聲輔助磨削優(yōu)勢的關(guān)鍵問題之一。

(3)在探明超聲振動作用對硬脆材料脆-延轉(zhuǎn)變臨界切厚影響規(guī)律的基礎(chǔ)上，控制磨削過程中的最大單顆磨粒切厚水平，是在超聲輔助作用下實(shí)現(xiàn)硬脆材料高質(zhì)量加工的關(guān)鍵問題。因此，建立適用于超聲輔助磨削且通用性較強(qiáng)的硬脆材料脆-延轉(zhuǎn)變臨界切厚模型及最大單顆磨粒切厚模型，是超聲輔助磨削領(lǐng)域值得重視的研究內(nèi)容。

(4)在一定的超聲振動條件下，優(yōu)化磨削用量與超聲振動參數(shù)的匹配性，提出可顯著降低單顆磨粒切厚、強(qiáng)化超聲振動作用效果的磨削用量區(qū)間，進(jìn)一步強(qiáng)化對超聲輔助磨削過程中單顆磨粒切厚的控制能力，是實(shí)現(xiàn)硬脆材料延性域磨削的有效補(bǔ)充方法。