高性能難加工材料可磨削性研究進(jìn)展

盧守相，郭塞，張建秋，江慶紅，周聰，張璧

高性能難加工材料可磨削性研究進(jìn)展

盧守相1,2，郭塞1,2，張建秋1,2，江慶紅1,2，周聰1,2，張璧1,2

（1.深圳市跨尺度制造力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518055；2.南方科技大學(xué)，廣東 深圳 518055）

高性能難加工材料在高端制造業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛，關(guān)鍵零部件的精度要求極高，而材料的可磨削性差，對(duì)磨削加工工藝提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。為了提高難加工材料磨削表面完整性，降低砂輪磨損，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究。全面回顧了難加工金屬材料、硬脆材料以及復(fù)合材料可磨削性的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展，包括工件表面完整性、砂輪堵塞與磨損、磨削顫振以及改善可磨削性的先進(jìn)技術(shù)4個(gè)方面。對(duì)不同類型難加工材料可磨削性的特點(diǎn)及共性問題展開了討論，總結(jié)了各類難加工材料加工損傷的成因，指出改善難加工材料可磨削性的主要思路是降低磨削力和磨削溫度。分析了磨削力和磨削熱的來源以及對(duì)表面完整性和砂輪磨損的影響，提出了基于“節(jié)源”和“開流”思想降低磨削力和磨削溫度的工藝策略，并對(duì)難加工材料高質(zhì)高效加工方法進(jìn)行了展望，指出高性能砂輪及其修整技術(shù)、高效冷卻潤(rùn)滑技術(shù)、多能場(chǎng)復(fù)合磨削技術(shù)以及超高速磨削技術(shù)的不斷發(fā)展，都有利于解決難加工材料的高質(zhì)高效加工難題。

鈦合金；高溫合金；硬脆材料；復(fù)合材料；可磨削性；表面完整性；砂輪磨損

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隨著航空航天、武器裝備、精密儀器、半導(dǎo)體、新能源等領(lǐng)域的快速發(fā)展，鈦合金、高溫合金、復(fù)合材料、工程陶瓷等高性能材料得到越來越廣泛的應(yīng)用。鈦合金比強(qiáng)度高、耐高溫性能好、耐腐蝕性好，用于服役溫度約為350 ℃的航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇和壓氣機(jī)部件，用量約占發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量的33%[1]。鎳基高溫合金具有優(yōu)異的高溫力學(xué)性能，主要用于運(yùn)行溫度超過1250 ℃的發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室和高、低壓渦輪部分，其用量占目前商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量的40%～50%[2-3]。纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料能在保證強(qiáng)度的前提下實(shí)現(xiàn)航空航天飛行器的有效減重，B787和A350XWB等大型客機(jī)的復(fù)合材料用量已超過50%[4]。纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的密度僅為高溫合金的1/3～1/4，耐高溫性能更好，適用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管、戰(zhàn)斗機(jī)或高速列車的剎車材料[5]。金屬基復(fù)合材料具有合金材料所不具備的特殊性能，預(yù)計(jì)未來5～10年在航天器結(jié)構(gòu)、第三代半導(dǎo)體熱管理器件、慣性器件和空間光學(xué)裝備、輕量化核防護(hù)等多個(gè)領(lǐng)域?qū)⒊霈F(xiàn)大量需求[6]。以氧化鋁、氧化鋯、碳化硅、氮化硅為代表的工程陶瓷具有耐高溫、耐磨損、耐腐蝕、化學(xué)穩(wěn)定性好以及電、熱、光、磁等獨(dú)特功能，在戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域關(guān)鍵部件中的應(yīng)用潛力巨大[7]。

高性能材料零部件的服役條件往往極為嚴(yán)苛，為保證極端工況下的性能和可靠性，要求其加工精度和表面完整性需要達(dá)到極高的標(biāo)準(zhǔn)。例如，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的零件尺寸誤差要求小于10 μm，表面粗糙度小于0.5 μm[8]；高端芯片要求直徑300 mm、厚度100 μm的超薄硅片的總厚度變化值小于1 μm，翹曲度小于5 μm，表面粗糙度z小于0.01 μm，并且加工表面沒有微裂紋、殘余應(yīng)力等損傷[9]。如此高的加工標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)超過了傳統(tǒng)切削加工所能達(dá)到的極限水平，而且高性能材料的高強(qiáng)度、高硬度使其難以切削加工或無法以切削方式加工。磨削加工以其高精度、高剛度的特點(diǎn)，以及特殊的材料去除機(jī)理，在高性能材料精密加工方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，成為保證零件最終品質(zhì)的主要加工方法。

然而，高性能難加工材料的可磨削性較差。例如，同等條件下Ti-6Al-4V的磨削力約為45鋼的1.5～2倍，磨削溫度高約20%～30%，可達(dá)400 ℃，表層殘余拉應(yīng)力可高達(dá)500 MPa以上[10]；單晶硅、光學(xué)玻璃、陶瓷等硬脆材料在磨削過程中極易出現(xiàn)表面破碎和亞表面裂紋[11-13]；磨削高溫合金容易使砂輪堵塞，磨削區(qū)溫度急劇升高，進(jìn)而使工件表面質(zhì)量惡化[14]。雖然通過采用保守的磨削用量可使零部件達(dá)到很高質(zhì)量，但“慢工出細(xì)活”的工藝路線顯然不能適應(yīng)“高質(zhì)、高效、低成本”的工程應(yīng)用要求。難加工材料的精密加工難題成為多個(gè)重要領(lǐng)域關(guān)鍵產(chǎn)品研發(fā)的技術(shù)瓶頸。

為改善難加工材料的可磨削性，必須深入了解其可磨削性差的原因，分析磨削條件對(duì)可磨削性的影響，并開發(fā)改善可磨削性的新工藝方法與技術(shù)。本文旨在通過總結(jié)國(guó)內(nèi)外關(guān)于高性能難加工材料磨削表面完整性、砂輪堵塞與磨損、磨削顫振以及改善可磨削性的方法與技術(shù)的研究進(jìn)展，分析目前研究工作的不足，探討提高可磨削性的措施，為提高難加工材料的加工效率和質(zhì)量提供新的思路或啟發(fā)。

1 工件表面完整性

表面完整性主要包括表面粗糙度、表面宏觀缺陷、表層顯微組織變化、亞表面裂紋及殘余應(yīng)力[15]，其對(duì)零件的抗疲勞性、耐磨性和耐腐蝕性有重要影響[16-18]。一般而言，較低的表面粗糙度、適當(dāng)?shù)募庸び不蜌堄鄩簯?yīng)力有利于提高零件性能。磨削加工表面完整性的形成是磨粒與工件材料相互作用的結(jié)果。大量磨粒在工件材料表面切入切出，伴隨著材料去除，形成工件表面的紋理形貌和宏觀缺陷；而在磨粒切削過程中形成的磨削應(yīng)力場(chǎng)和磨削溫度場(chǎng)作用下，

工件材料產(chǎn)生彈塑性變形、微裂紋或顯微組織變化；磨粒切削作用結(jié)束后，材料因熱膨脹或收縮引起的熱應(yīng)力、塑性變形以及相變引起的密度變化會(huì)形成殘余應(yīng)力[19]。工件材料特性對(duì)磨削加工表面完整性有重要影響，下面分別從難加工金屬材料、硬脆材料和復(fù)合材料3個(gè)方面介紹磨削表面完整性的研究進(jìn)展。

1.1 難加工金屬材料

對(duì)于金屬材料，其表面完整性主要由塑性變形行為決定。磨削鈦合金、鎳基高溫合金等難加工金屬材料時(shí)，由于材料強(qiáng)度高，導(dǎo)熱性差，磨粒與工件材料接觸區(qū)域的力-熱載荷很大，工件表面容易出現(xiàn)魚鱗狀涂覆現(xiàn)象[20]，表層材料發(fā)生劇烈的塑性變形，發(fā)生晶粒拉長(zhǎng)、細(xì)化[21]，如圖1所示。在很高的力-熱載荷作用下，會(huì)導(dǎo)致表層微觀組織發(fā)生變化，典型的表層微觀組織變化有加工硬化層和白層，對(duì)零件性能有重要影響。Wang等人[22]在磨削加工后的TC21鈦合金表面觀察到由細(xì)柱狀晶構(gòu)成的TiN硬化層，晶向與磨削方向呈一個(gè)角度規(guī)則排列，如圖2所示。TiN具有耐熱性、高硬度和耐磨性，因此TiN硬化層的形成有利于提高工件性能。?sterle等人[23]在磨削IN738LC鎳基高溫合金時(shí)發(fā)現(xiàn)工件表面層有大約5 μm厚度的白層，如圖3a所示，經(jīng)透射電鏡觀察發(fā)現(xiàn)白層具有直徑50～100 nm的等軸晶結(jié)構(gòu)，如圖3b所示。?sterle認(rèn)為白層是在磨削過程中材料發(fā)生劇烈的塑性變形，磨削區(qū)局部溫度快速上升至材料的熔點(diǎn)，隨后在冷卻液的作用下急速冷卻形成的。當(dāng)改進(jìn)砂輪修整方式，在磨削過程中進(jìn)行連續(xù)修整，可有效降低白層厚度，如圖3c所示。磨削鈦合金也會(huì)產(chǎn)生白層[24-25]，較低的導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)強(qiáng)化熱量集中效應(yīng)，高的溫度梯度會(huì)促進(jìn)白層的形成[26]。白層的硬度通常高于基體材料，而且具有脆性，容易誘發(fā)表層裂紋，影響零件的疲勞強(qiáng)度[27-29]，因此應(yīng)盡量避免白層的產(chǎn)生。

丁文峰等人[30]總結(jié)了航空發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金材料磨削表面粗糙度的影響因素，主要有3點(diǎn)，分別是單顆磨粒切厚、磨削力和磨削溫度。單顆磨粒切厚越大，磨粒切削材料后殘留的磨痕以及兩側(cè)的材料堆砌越明顯，表面粗糙度值越大；磨削力越大、磨削溫度越高，工件材料塑性變形越嚴(yán)重，表面越粗糙。根據(jù)磨削幾何學(xué)原理[31]，容易得到磨削工藝參數(shù)對(duì)單顆磨粒切厚的影響規(guī)律，即：磨削深度和進(jìn)給速度越大及磨削速度和單位砂輪面積上的切刃數(shù)越小，則單顆磨粒未變形切屑厚度越大。然而磨削工藝參數(shù)對(duì)磨削力和磨削溫度的影響比較復(fù)雜，與材料特性、砂輪磨損、冷卻狀態(tài)密切相關(guān)。一般而言，提高磨削速度[32]，減小磨削深度[32-33]，提高砂輪氣孔率[34]，采用細(xì)粒度和超硬磨料砂輪[33]有利于降低表面粗糙度。采用新修整的砂輪會(huì)使表面粗糙度小幅度升高[35]。不同磨削參數(shù)下磨床運(yùn)行過程的振動(dòng)狀態(tài)也會(huì)影響表面粗糙度[36]。

圖1 典型的鈦合金磨削表面形貌與缺陷[20-21]

圖2 TC21鈦合金磨削表面形成的含有TiN的硬化層[22]

圖3 鎳基高溫合金IN738LC磨削形成的白層[23]

鈦合金和鎳基高溫合金等難加工金屬材料，由于強(qiáng)度高，導(dǎo)熱性差，磨削加工產(chǎn)生的磨削力大，磨削溫度高，工件表層材料塑性變形嚴(yán)重，導(dǎo)致表面以下沿磨削深度方向的顯微硬度發(fā)生變化[37-43]。磨削表層材料塑性變形對(duì)顯微硬度的影響有加工硬化和熱軟化兩種效應(yīng)。在正常的磨削條件下，會(huì)發(fā)生加工硬化現(xiàn)象。鈦合金的硬化層一般低于100 μm[37,44]，鎳基高溫合金的硬化層一般低于120 μm[42-43,45]。熱軟化現(xiàn)象僅發(fā)生在由于磨削條件不當(dāng)，引發(fā)磨削燒傷的條件下[46]，鎳基高溫合金的熱軟化層可達(dá)到100 μm[41]，高強(qiáng)度鋼的熱軟化層厚度甚至可達(dá)到300 μm[47]。磨粒的耐磨性、導(dǎo)熱能力影響顯微硬度。例如，采用剛玉砂輪磨削鎳基高溫合金時(shí)，會(huì)發(fā)生明顯的熱軟化現(xiàn)象[41]，而采用CBN砂輪則會(huì)出現(xiàn)顯著的加工硬化現(xiàn)象[43]。砂輪結(jié)合劑種類對(duì)加工硬化程度有重要影響。例如，采用陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪磨削鈦合金時(shí)，加工硬化率約為23%；采用釬焊CBN砂輪，硬化率僅為10%[37]；而采用樹脂結(jié)合劑CBN砂輪，加工硬化率可超過200%[38]。

工件表層的殘余應(yīng)力是磨削力和磨削熱共同作用的結(jié)果，磨削力是導(dǎo)致殘余壓應(yīng)力的原因，磨削熱是導(dǎo)致殘余拉應(yīng)力的原因。磨削殘余應(yīng)力狀態(tài)與磨削工藝參數(shù)和砂輪類型等因素有關(guān)[48]。對(duì)于鈦合金和鎳基高溫合金，其磨削溫度一般高于鋼鐵材料，磨削殘余應(yīng)力主要是拉應(yīng)力[10,49]。目前改善難加工金屬材料表層殘余拉應(yīng)力的方法主要有改善冷卻潤(rùn)滑條件以及采用超硬磨料砂輪[50-51]，將磨削溫度控制在較低水平，可獲得表層殘余壓應(yīng)力[52]。最常用的殘余應(yīng)力的檢測(cè)方法是X射線衍射法。盡管X射線衍射法成熟且可靠性高，但是仍然存在難以精確測(cè)量的問題。有限元分析方法在磨削加工殘余應(yīng)力的研究中得到大量應(yīng)用，但是只能分析磨削溫度對(duì)殘余應(yīng)力分布的影響，無法反映磨削過程中的相變對(duì)殘余應(yīng)力的影響。殘余應(yīng)力的精確表征和建模仍然有待深入研究。

1.2 硬脆材料

對(duì)于硬脆材料，其表面完整性主要由脆性斷裂行為決定。硬脆材料的原子間一般通過離子鍵或共價(jià)鍵結(jié)合，鍵能遠(yuǎn)高于金屬鍵，因此硬脆材料難以像金屬材料那樣發(fā)生剪切滑移，在磨粒作用下通常以脆性斷裂方式去除，并在表面和亞表面形成裂紋[12-13]，如圖4所示。當(dāng)磨削表面及亞表面無宏觀裂紋擴(kuò)展，則稱為“延性域”磨削[53]。若滿足極小尺度或在溫度達(dá)到一定閾值的條件下，硬脆材料也會(huì)發(fā)生塑性變形。超精密磨削誘導(dǎo)的硬脆材料塑性變形的主要機(jī)理有晶面滑移、晶粒細(xì)化以及非晶化[54]。Wang等人[55]對(duì)單晶硅的微壓縮試驗(yàn)研究表明，在微納尺度下，單晶硅在三維靜水壓力下發(fā)生了高壓相變，發(fā)生明顯的塑性變形，其塑性應(yīng)變超過20%。Korte等人[56]在不同溫度條件下對(duì)單晶硅進(jìn)行了微壓縮試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度升高到500 ℃時(shí)，單晶硅發(fā)生了塑性變形。硬脆材料磨削過程中的塑性變形可抑制斷裂的發(fā)生，有利于提高表面完整性，通常通過減小磨削深度或采用細(xì)磨粒砂輪達(dá)到消減裂紋損傷的目的。Zhang等人[57]在納米劃擦單晶硅片時(shí)發(fā)現(xiàn)，劃痕表面有一層非晶層，亞表面依次為損傷層和單晶硅結(jié)構(gòu)。Wang等人[58]對(duì)非晶玻璃進(jìn)行了角度磨削試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著磨削深度的增加，工件表面裂紋增加，如圖5所示。Li等人[59]分別采用6000#、4000#和800#的金剛石砂輪對(duì)YAG單晶進(jìn)行了磨削試驗(yàn)，結(jié)果表明，采用6000#砂輪得到光滑表面，表層材料發(fā)生了塑性滑移，采用4000#砂輪得到的表面層存在納米晶體結(jié)構(gòu)和裂紋，而采用800#砂輪得到的表面存在大量破碎現(xiàn)象，如圖6所示。對(duì)于碳化硅、氮化硅、氧化鋁等工程陶瓷，雖然磨削表面呈現(xiàn)塑性變形的特征，但并未發(fā)生塑性變形，而是發(fā)生材料碎化[60]。碎化層的材料性能低于本體材料，碎化層屬于加工損傷，影響表面完整性。

工程材料的表面粗糙度對(duì)零件的疲勞壽命有很大影響，粗糙的表面輪廓含有大量的尖角，容易引起應(yīng)力集中，誘發(fā)裂紋的萌生。硬脆材料磨削加工容易產(chǎn)生裂紋損傷，其斷裂強(qiáng)度對(duì)于表面粗糙度更為敏感，因此對(duì)表面粗糙度的控制尤為重要。大量的研究表明，光學(xué)玻璃、工程陶瓷等硬脆材料的磨削工藝參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響規(guī)律基本一致，即表面粗糙度值隨著磨削速度的升高而降低、隨著進(jìn)給速度和磨削深度的升高而升高[61-64]，進(jìn)給速度對(duì)表面粗糙度的影響高于磨削速度和磨削深度[65]，磨粒直徑越小，表面粗糙度值越低[66]。硬脆材料的表面粗糙度與其去除模式密切相關(guān)，與脆性域去除模式相比，在延性域去除模式下的表面粗糙度明顯更低[62,67]。用于光學(xué)元件的硬脆材料，其磨削表面的波紋度對(duì)其光學(xué)性能影響很大，根據(jù)磨削運(yùn)動(dòng)學(xué)特征建立波紋度模型，再利用模型調(diào)控磨削參數(shù)，是降低波紋度的有效方法[68]。

圖4 硬脆材料的典型表面和亞表面裂紋[12-13]

硬脆材料的亞表面損傷往往難以通過非破壞的方法檢測(cè)，但可以通過表面粗糙度間接反映亞表面損傷的程度。研究表明，磨削參數(shù)對(duì)氮化硅陶瓷的表面粗糙度和亞表面損傷的影響規(guī)律一致[66]，磨削碳化硅陶瓷的表面粗糙度與亞表面損傷深度正相關(guān)[63]。因此，有學(xué)者嘗試建立表面粗糙度與亞表面裂紋深度之間的聯(lián)系[61]，通過較易測(cè)量的表面粗糙度值預(yù)測(cè)相應(yīng)的亞表面裂紋深度。Yin等人[69]基于位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)和斷裂力學(xué)，分析了單晶硅材料磨削亞表面裂紋的萌生和擴(kuò)展行為，建立了慮及應(yīng)變率和亞穩(wěn)態(tài)相變的動(dòng)態(tài)變化特性的單晶硅磨削亞表面損傷深度模型，并指出提高應(yīng)變率有利于實(shí)現(xiàn)較低的亞表面損傷。

圖5 非晶玻璃角度磨削不同磨削深度下的表面形貌[58]

圖6 不同粒度砂輪磨削YAG單晶的表面形貌[59]

殘余應(yīng)力對(duì)硬脆材料的性能有重要影響。例如，單晶硅磨削過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致晶片翹曲，影響后續(xù)工藝的進(jìn)行，還會(huì)導(dǎo)致裂紋的形成。大量研究表明，硬脆材料磨削殘余應(yīng)力主要是壓應(yīng)力，是因塑性變形或相變而形成的[70-72]。殘余應(yīng)力的空間分布具有一定的規(guī)律性，隨著與表面距離的增大，殘余壓應(yīng)力逐漸減小，到達(dá)一定深度以后，殘余應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)楸３只静蛔兊睦瓚?yīng)力[72]。硬脆材料的殘余應(yīng)力與材料的塑性應(yīng)變相關(guān)，磨粒形狀對(duì)殘余應(yīng)力有重要影響，同樣切深下，尖銳的磨粒比鈍磨粒造成材料的塑性應(yīng)變和殘余應(yīng)力更小[70]。磨削工藝參數(shù)對(duì)硬脆材料的殘余應(yīng)力也有影響，隨著砂輪速度的提高，殘余應(yīng)力降低[64]。以硅片磨削為例，粗磨工藝主要以脆性斷裂模式去除材料，殘余應(yīng)力最小，半精磨工藝由于產(chǎn)生更嚴(yán)重的相變和彈塑性變形，殘余應(yīng)力最大，精磨工藝的殘余應(yīng)力介于二者之間[71]。

1.3 復(fù)合材料

復(fù)合材料的磨削加工表面完整性不同于單質(zhì)材料，取決于基體和增強(qiáng)體在磨粒作用下的力學(xué)行為。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有宏觀各向異性的特點(diǎn)，纖維方向?qū)δハ骷庸け砻嫱暾杂绊憳O大。宿友亮[73]研究了切削方向與纖維的夾角對(duì)CFRP切屑形成方式的影響，結(jié)果表明，=0°時(shí)，切屑為開裂-彎斷型，=45°時(shí)為切斷-剪切滑移型，=90°時(shí)為壓曲型（切削深度與刀刃圓弧半徑相當(dāng)）或彎折-剪切型（切削深度大于刀刃圓弧半徑），=135°時(shí)為壓曲型（切削深度與刀刃圓弧半徑相當(dāng)）或彎斷主導(dǎo)型（切削深度大于刀刃圓弧半徑）。由于不同的纖維斷裂機(jī)理，不同切削角度下纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的表面形貌有很大差別，Wang等人[74]觀察了磨削加工C/SiC復(fù)合材料孔壁不同位置的表面形貌，如圖7所示，可見切削角度為90°時(shí)的表面最平整，切削角度為0°、45°和135°時(shí)，由于纖維彎曲斷裂，表面平整度較差。大量研究表明，磨削纖維增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料和陶瓷基復(fù)合材料都可觀察到磨削表面形貌與纖維切削角度相關(guān)聯(lián)的現(xiàn)象[75-78]。纖維的約束狀態(tài)對(duì)磨削加工損傷也有很大影響，Luna等人[79]開展了SiCf/SiC復(fù)合材料的三磨粒劃切試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)劃切方向垂直于纖維方向時(shí)，雖然切削角度為90°，但由于表層纖維材料處于弱約束狀態(tài)，纖維的剝離造成了明顯的撕裂損傷，而劃切方向平行于纖維方向的損傷范圍基本處于磨粒覆蓋范圍內(nèi)，如圖8所示。纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料和陶瓷基復(fù)合材料的區(qū)別在于溫度敏感性，由于樹脂耐熱性較差，一般當(dāng)溫度超過200 ℃時(shí)，樹脂發(fā)生軟化[80]，對(duì)纖維的約束能力急劇降低，當(dāng)磨削溫度超過350 ℃時(shí)，樹脂將完全失去對(duì)纖維的約束能力[81]。在纖維的弱約束方向上，一個(gè)由于力-熱作用而造成磨削損傷的典型例子是CFRP的磨孔加工，如圖9所示，可見孔的出口出現(xiàn)了嚴(yán)重的分層和撕裂現(xiàn)象[82]。對(duì)于纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料，陶瓷基體的耐熱性很強(qiáng)，復(fù)合材料整體呈現(xiàn)硬脆特性。Chen等人[83]對(duì)C/SiC復(fù)合材料進(jìn)行的變載荷納米劃擦試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)載荷極小時(shí)，基體和增強(qiáng)體都存在延性去除行為，然而隨著載荷逐漸增大，纖維和基體不僅會(huì)發(fā)生斷裂，纖維內(nèi)部也會(huì)產(chǎn)生亞表面裂紋，不同劃切方向條件下纖維的亞表面裂紋形貌如圖10所示。顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料具有宏觀各向同性的特點(diǎn)，但是在細(xì)觀尺度上具有不均勻性，硬脆的陶瓷顆粒的破碎以及金屬基體的塑性變形是其磨削表面形貌的主要特征[84]，如圖11所示。Han等人[85]采用SEM和EBSD的表征方法，在晶粒尺度上觀察了銑削SiCp/Al復(fù)合材料的亞表面形貌，發(fā)現(xiàn)表面以下依次是SiC顆粒破碎層、鋁合金基體的塑性流動(dòng)層和材料本體，Dong等人[84]在磨削SiCp/Al復(fù)合材料亞表面也觀察到了類似特征，如圖12所示。由于亞表面形貌特征的明顯變化，垂直于表面深度方向的顯微硬度也會(huì)發(fā)生變化，Liu等人[86]將硬度發(fā)生變化的材料層厚度作為SiCp/Al復(fù)合材料磨削亞表面損傷深度的評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立了亞表面損傷深度的預(yù)測(cè)模型。

圖7 不同切削角度下C/SiC復(fù)合材料的磨削表面形貌[74]

圖8 纖維弱約束狀態(tài)造成的撕裂[79]

圖9 CFRP磨孔加工出口的分層和撕裂損傷[82]

圖10 陶瓷基復(fù)合材料中的纖維在不同劃切方向條件下的亞表面損傷[83]

磨削纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的表面粗糙度與纖維切削角度、磨削速度、磨削深度等因素有關(guān)。Hu等人[75,88]研究了CFRP不同纖維切削角度的表面粗糙度，結(jié)果表明，當(dāng)磨削深度很?。ā?.02 mm）時(shí)，纖維切削角度對(duì)表面粗糙度的影響不明顯；而當(dāng)磨削深度升高到一定程度（≥0.05 mm）時(shí)，纖維切削角度為120°～180°的表面粗糙度急劇上升，纖維切削角度為150°的表面粗糙度遠(yuǎn)大于其余角度。Zhang等人[87]針對(duì)C/SiC復(fù)合材料，研究了相互正交的3個(gè)磨削方向的工件表面粗糙度，結(jié)果表明，當(dāng)砂輪轉(zhuǎn)速較低（1500 r/min）時(shí)，沿纖維縱向的表面粗糙度值明顯高于其他兩個(gè)方向；而當(dāng)砂輪轉(zhuǎn)速較高（3000 r/min）時(shí)，3個(gè)方向的表面粗糙度值相差不大；進(jìn)給速度和磨削深度對(duì)表面粗糙度的影響不大，如圖13所示。Qiong等人[89]在開展磨削二維編織C/SiC復(fù)合材料研究時(shí)也得出了類似結(jié)論，即磨削速度對(duì)表面粗糙度的影響較大。然而Du等人[90]同樣是針對(duì)二維編織C/SiC復(fù)合材料開展銑磨試驗(yàn)，卻發(fā)現(xiàn)表面粗糙度與未變形切屑厚度的關(guān)系不明顯。Cao等人[91]研究了2.5D機(jī)織SiO2/SiO2復(fù)合材料磨削表面粗糙度，指出纖維取向?qū)Ρ砻娲植诙鹊挠绊懯菦Q定性的。盡管從上述文獻(xiàn)可以總結(jié)出纖維增強(qiáng)復(fù)合材料磨削表面粗糙度隨磨削參數(shù)的變化趨勢(shì)，即減小磨削深度、提高磨削速度可以消減材料各向異性的影響，降低表面粗糙度，但是由于纖維編織結(jié)構(gòu)不同、檢測(cè)區(qū)域選取的限制，表面粗糙度的數(shù)據(jù)離散度較大，不同的實(shí)驗(yàn)條件、檢測(cè)條件對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果也可能有影響，現(xiàn)有的表面粗糙度評(píng)價(jià)體系并不能完全反映纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加工表面的幾何特征。Cao等人[92]針對(duì)2.5D機(jī)織SiO2/SiO2復(fù)合材料提出了一種評(píng)價(jià)磨削表面質(zhì)量的新方法，通過計(jì)算三維表面特征參數(shù)以評(píng)估表面波紋度，并發(fā)現(xiàn)了表面波紋度特征與纖維絲束取向的關(guān)系。這種新的評(píng)估方法可為優(yōu)化復(fù)合材料的裝配、密封、潤(rùn)滑等使用性能提供指導(dǎo)。

圖11 SiCp/Al復(fù)合材料磨削表面典型形貌[84]

圖12 SiCp/Al復(fù)合材料典型亞表面損傷形貌[84]

磨削金屬基復(fù)合材料的表面粗糙度與工藝參數(shù)的關(guān)系相對(duì)明朗，大體上遵循如下規(guī)律[93-95]：隨著磨削速度的升高，表面粗糙度值下降；隨著進(jìn)給速度和磨削深度的增大，表面粗糙度值上升；工件硬度越高，表面粗糙度值越低；顆粒增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料磨削表面粗糙度低于晶須增強(qiáng)的。精確預(yù)測(cè)不同工藝參數(shù)下的磨削表面粗糙度，對(duì)于優(yōu)化磨削參數(shù)很有意義，隨著對(duì)材料去除機(jī)理更為深入的理解，最近幾年建立的金屬基復(fù)合材料磨削表面粗糙度模型的預(yù)測(cè)精度較高，其誤差控制在10%以內(nèi)[96-98]。顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料表面容易出現(xiàn)顆粒拔出導(dǎo)致的凹坑，而且往往凹坑的尺度遠(yuǎn)大于表面加工紋理的尺度，因此現(xiàn)有表面粗糙度的評(píng)價(jià)方法也不能反映類似于凹坑這種大尺度缺陷特征。為此，Zheng等人[99]提出利用對(duì)表面凹坑缺陷更為敏感的參數(shù)——表面分形維數(shù)來表征SiCp/Al復(fù)合材料的表面幾何特征。表面分形維數(shù)代表了SiCp/Al復(fù)合材料加工表面的空間填充能力，表面分形維數(shù)值越大，說明表面粗糙度越低。

有關(guān)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料磨削加工殘余應(yīng)力研究的文獻(xiàn)較少。Diaz等人[100]分析了鉆削加工SiCf/SiC復(fù)合材料的殘余應(yīng)力分布，結(jié)果表明，在復(fù)合材料中富含纖維的區(qū)域存在拉伸殘余應(yīng)力，而在富含基體的區(qū)域存在壓縮殘余應(yīng)力。有關(guān)顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料磨削加工殘余應(yīng)力的研究集中于硬質(zhì)合金加工，原因主要是磨削殘余應(yīng)力對(duì)于硬質(zhì)合金的使用性能有重要影響。原一高等人[101]研究了超細(xì)晶粒WC-10%Co硬質(zhì)合金磨削加工表面殘余應(yīng)力，結(jié)果表明，殘余應(yīng)力主要是壓應(yīng)力，其絕對(duì)值隨砂輪粒徑的減小而降低，磨削深度對(duì)殘余應(yīng)力的影響較小。Cruz等人[102]研究了磨削參數(shù)和砂輪參數(shù)對(duì)WC-5%Co硬質(zhì)合金磨削加工殘余應(yīng)力的影響，發(fā)現(xiàn)殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力，垂直于磨粒路徑的殘余應(yīng)力的絕對(duì)值較大；隨著磨削速度的升高，殘余應(yīng)力絕對(duì)值降低；磨粒越粗，殘余應(yīng)力絕對(duì)值越大；陶瓷基砂輪磨削殘余應(yīng)力大于樹脂基砂輪的。Mao等人[103]在磨削CBN-WC-10Co復(fù)合材料時(shí)發(fā)現(xiàn)，在WC相產(chǎn)生了高水平的殘余應(yīng)力，并且其絕對(duì)值隨著磨削深度的增加而增大。復(fù)合材料磨削殘余應(yīng)力對(duì)零件的使役性能有重要影響，但目前的研究?jī)H限于顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料磨削殘余應(yīng)力有待深入研究。

圖13 磨削C/SiC復(fù)合材料的表面粗糙度與磨削參數(shù)的關(guān)系[87]（磨削參數(shù)ae=10～100 μm，vft=3～7 m/min，砂輪轉(zhuǎn)速1500、3000 r/min；砂輪為樹脂結(jié)合劑，b=20 mm，砂輪直徑250 mm；冷卻液為乳化液，Syntilo XPS，5%，流量50 l/min）

2 砂輪堵塞與磨損

2.1 難加工金屬材料

磨削金屬材料時(shí)，砂輪磨損形式主要有粘附磨損、磨耗磨損、磨粒破碎和脫落，如圖14所示。對(duì)于鈦合金和鎳基高溫合金這類強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性差的難加工金屬材料，由于磨削力大、磨削溫度高，粘附磨損是普通磨料砂輪的主要磨損形式，而磨耗磨損是超硬磨料砂輪的主要磨損形式[30]。

圖14 金剛石砂輪磨削4032鋁合金的砂輪粘附及磨粒磨損形式[104]

普通磨料砂輪，如SiC砂輪和Al2O3砂輪，粘附磨損將導(dǎo)致局部磨粒失去切削能力，使磨削力升高，可能引發(fā)粘附在磨粒上的工件材料脫落，也可能引發(fā)磨粒破碎或脫落。磨削鈦合金和高溫合金的粘附機(jī)理主要有兩種：（1）磨削區(qū)高溫觸發(fā)磨料與工件材料的化學(xué)反應(yīng)[105]；（2）在磨削區(qū)高溫高壓下工件材料與磨粒之間形成物理連接——冷焊[106]。Al2O3砂輪磨削鈦合金，在500 ℃時(shí)就會(huì)發(fā)生大規(guī)模的粘附現(xiàn)象，而SiC砂輪磨削鈦合金的砂輪粘附現(xiàn)象的觸發(fā)溫度為800 ℃，因此普遍認(rèn)為Al2O3砂輪——不適合磨削鈦合金[10,30]。磨削高溫合金時(shí)，SiC磨粒元素容易與工件材料元素相互擴(kuò)散，在磨粒表面生成脆性硅化物，造成磨粒磨損嚴(yán)重，在工件表面生成不穩(wěn)定金屬碳化物和氧化物，造成工件表面缺陷，因此普遍認(rèn)為SiC砂輪不適合磨削鎳基高溫合金[14,107]。減小磨削用量，降低磨削力和磨削溫度有利于減少砂輪的粘附和堵塞[108]，但會(huì)影響加工效率；選用大氣孔率的砂輪可提高冷卻潤(rùn)滑效果，緩解砂輪粘附趨勢(shì)，但會(huì)削弱砂輪硬度，磨削過程中結(jié)合劑斷裂增加，縮短砂輪壽命[109]。

超硬磨料砂輪，如金剛石砂輪和CBN砂輪，由于磨粒的耐磨性好、導(dǎo)熱能力強(qiáng)、化學(xué)穩(wěn)定性好，尤其適合磨削高強(qiáng)度、低導(dǎo)熱性的難加工金屬材料。與普通磨料砂輪相比，超硬磨料砂輪的磨削性能有了極大提升。例如，采用SiC砂輪在普通磨削條件下加工鈦合金的磨削比僅約為1，而選用超硬砂輪則可提升幾十甚至上百倍[10]；采用CBN砂輪磨削鎳基高溫合金，其磨削比約為Al2O3砂輪的17～35倍[110-111]。金剛石磨粒在800 ℃時(shí)開始石墨化磨耗，CBN磨粒的熱穩(wěn)定性更好，且對(duì)鐵族元素的化學(xué)惰性強(qiáng)，因此被更多地應(yīng)用于鈦材料磨削[30]。然而，在適當(dāng)?shù)哪ハ鳁l件下，金剛石砂輪磨削鈦合金的性能優(yōu)于CBN砂輪，磨削比可高達(dá)150[14]。最新研究表明，單層電鍍金剛石或CBN磨料砂輪在磨削鈦合金等難加工金屬材料方面展現(xiàn)出了很大的潛力[112-113]，但砂輪性能衰變不可逆、單層磨料砂輪無法修整也是制約其推廣應(yīng)用的主要問題。

盡管超硬磨料砂輪的磨削能力遠(yuǎn)優(yōu)于普通磨料砂輪，但是由于砂輪成本高，而且砂輪修整困難，目前工業(yè)界仍主要采用普通磨料砂輪磨削鈦合金和鎳基高溫合金[10,107]。受限于砂輪的粘附磨損，普通磨料砂輪磨削難加工金屬材料的效率得不到提高[107]。因此，降低超硬砂輪成本，提出高效精密的超硬砂輪修整方法，是超硬材料砂輪的研發(fā)方向之一。

此外，由于粘附磨損對(duì)砂輪壽命、工件表面完整性都有重要影響，建立砂輪粘附磨損的數(shù)學(xué)模型，對(duì)粘附磨損進(jìn)行定量分析是必要的。然而盡管有學(xué)者建立了單顆磨粒粘附模型[114]和砂輪粘附模型[115-117]，但是由于砂輪粘附問題的復(fù)雜性、對(duì)砂輪粘附機(jī)理認(rèn)識(shí)的局限性以及砂輪粘附檢測(cè)手段的落后，目前還缺少較為精準(zhǔn)可靠的粘附模型。建立精確的粘附模型以分析各影響因素對(duì)粘附率的影響規(guī)律，從而優(yōu)化磨削參數(shù)，是砂輪磨損方面有待于解決的問題之一。最新的研究成果為建立砂輪磨損模型提供了一種新思路，Wiederkehr等人[118]提出了一種基于深度學(xué)習(xí)的建模方法實(shí)現(xiàn)了磨削工具的數(shù)字化，可用來分析砂輪磨損的不同狀態(tài)。大數(shù)據(jù)、人工智能等新興技術(shù)的發(fā)展將為解決磨削加工領(lǐng)域難題提供強(qiáng)有力的工具。

2.2 硬脆材料

磨削硬脆材料時(shí)，砂輪磨損形式與金屬材料類似，但由于工件材料的硬脆特性，一般條件下不易產(chǎn)生大量的粘附磨損，磨粒的磨耗磨損、磨粒破碎以及磨粒脫落是主要的磨損形式，如圖15所示。在某些特殊情況下，例如采用2000#精磨砂輪在延性域磨削硅片時(shí)，由于砂輪容屑空間小，磨屑容易粘附在砂輪表面，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)砂輪堵塞[119]。

硬脆材料的磨削加工過程中，為有效去除材料，磨料的硬度必須高于被加工材料的硬度，因此通常選用CBN或金剛石砂輪。結(jié)合劑的強(qiáng)度不宜過高，否則磨鈍的磨粒不易脫落，導(dǎo)致磨削力上升，容易增加硬脆材料的亞表面損傷，因此通常選用自銳性好的樹脂結(jié)合劑或陶瓷結(jié)合劑砂輪加工硬脆材料。Luo等人[120]使用樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪磨削硬質(zhì)合金，砂輪的磨損形式主要是磨粒的脫落，硬質(zhì)合金對(duì)結(jié)合劑的不斷侵蝕起到了修整的作用。Liao等人[121-122]研究了樹脂金剛石砂輪緩進(jìn)給磨削氮化硅陶瓷材料的砂輪磨損機(jī)理，結(jié)果表明，在砂輪修整后的初期，磨粒脫落占主導(dǎo)地位，進(jìn)入穩(wěn)定磨損階段，磨耗磨損占主導(dǎo)地位。樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪的抗磨損性較差，在加工整流罩這類對(duì)面型精度要求較高的復(fù)雜曲面時(shí)，砂輪的快速磨損會(huì)導(dǎo)致加工精度降低。王金虎[123]在樹脂結(jié)合劑中添加了SiC微粉，以提高對(duì)金剛石磨粒的把持強(qiáng)度，在磨削藍(lán)寶石整流罩的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，砂輪表面的部分金剛石顆粒發(fā)生局部破碎，有助于提高砂輪自銳能力，在保持砂輪磨削能力的同時(shí)，降低了砂輪的損耗。陶瓷結(jié)合劑砂輪具備化學(xué)穩(wěn)定性高、耐腐蝕性好、自銳性好、精度高的優(yōu)點(diǎn)，在高速、高效、高精度磨削領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。張景強(qiáng)[124]研制了一種納米陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪，這種結(jié)合劑強(qiáng)度更高，使其可應(yīng)用于線速度達(dá)250 m/s的超高速磨削中，與普通陶瓷結(jié)合劑砂輪以磨粒破碎和結(jié)合劑斷裂為主的磨損形式相比，納米陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪的結(jié)合劑斷裂及磨粒破碎的概率更小，磨耗磨損比例較大。

圖15 磨削硬脆材料的砂輪磨損形式[123,125-126]

2.3 復(fù)合材料

復(fù)合材料磨削加工砂輪磨損形式與復(fù)合材料的基體特性以及增強(qiáng)相特性密切相關(guān)。對(duì)于導(dǎo)熱性較差的纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料，樹脂基體的耐熱性差，當(dāng)磨削溫度超過玻璃化溫度時(shí)，樹脂軟化嵌在磨粒間的空隙中，砂輪的磨損形式主要是樹脂粘附造成的砂輪堵塞，此外，也存在磨耗磨損、磨粒脫落以及磨粒斷裂現(xiàn)象[127-128]。Soo等人[128]對(duì)比了CBN砂輪和金剛石砂輪的磨削性能，結(jié)果表明，磨削CFRP時(shí)，CBN砂輪的磨損比金剛石砂輪嚴(yán)重，如圖16所示。

對(duì)于顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，金屬基體在磨削力和磨削熱作用下容易粘附在磨粒表面，隨著粘附的擴(kuò)展，在磨粒間隙中形成堵塞，材料中的硬質(zhì)顆粒對(duì)磨粒有磨蝕作用，砂輪的磨損形式主要是砂輪堵塞和磨耗磨損，如圖17所示。磨粒尺寸對(duì)砂輪磨損的影響極大，磨粒尺寸過小，磨粒出刃高度小，容屑空間不足，極易造成堵塞，失去磨削能力。Li等人[129]采用不同磨粒尺寸的電鍍金剛石砂輪磨削SiCp/Al復(fù)合材料小孔，試驗(yàn)結(jié)果表明，采用#200磨粒的砂輪可加工32個(gè)孔，而采用600#磨粒的砂輪加工第二個(gè)孔時(shí)就完全失去了磨削能力，如圖18所示。對(duì)于纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料，目前的研究集中于材料去除機(jī)理和表面完整性研究[130-131]，關(guān)于砂輪磨損的研究較少，本文不作討論。

圖16 磨削CFRP砂輪磨損形式[128]

圖17 磨削SiCp/Al復(fù)合材料砂輪磨損形式[84,132]

圖18 磨削金屬基復(fù)合材料磨粒尺寸對(duì)砂輪磨損的影響[129]

3 磨削顫振對(duì)工件表面完整性和砂輪磨損的影響

除了材料特性以外，由于磨削設(shè)備的性能缺陷和不合理的磨削工藝參數(shù)而導(dǎo)致的磨削顫振對(duì)工件表面完整性和砂輪磨損也有非常不利的影響。磨削顫振導(dǎo)致的振紋肉眼可見，嚴(yán)重影響工件外觀，顫振還使表面粗糙度升高，降低工件表面完整性，加劇磨削損傷以及砂輪磨損[133-136]。為了得到良好的磨削質(zhì)量，必須抑制磨削顫振。

磨削顫振可分為強(qiáng)迫振動(dòng)和自激振動(dòng)兩種模式[133]。強(qiáng)迫振動(dòng)主要是由于主軸-砂輪系統(tǒng)的不平衡、液壓設(shè)備或地面振動(dòng)而導(dǎo)致的，其中最重要的原因是砂輪不平衡，強(qiáng)迫振動(dòng)可在機(jī)床空轉(zhuǎn)時(shí)檢測(cè)到，其頻率接近砂輪的回轉(zhuǎn)頻率。自激振動(dòng)主要是由磨削過程中，工件和砂輪接觸界面的彈性變形引起的，其振動(dòng)頻率高于砂輪的回轉(zhuǎn)頻率，機(jī)床剛度、磨削參數(shù)、砂輪類型都會(huì)影響自激振動(dòng)。

機(jī)床剛度不足，意味著磨削過程中的彈性變形量較大，不僅影響磨粒的實(shí)際切深，而且使磨粒與工件材料擠壓與摩擦的比例增加，對(duì)磨削質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。Zhang等人[137-138]研究了機(jī)床剛度對(duì)陶瓷材料磨削質(zhì)量的影響，發(fā)現(xiàn)與靜態(tài)剛度相比，機(jī)床的動(dòng)態(tài)剛度對(duì)陶瓷材料磨削后的抗彎強(qiáng)度的影響更大，較低的動(dòng)態(tài)剛度使砂輪的瞬時(shí)切深非常大，從而加劇磨削損傷。由于機(jī)床剛度不足導(dǎo)致的工件振動(dòng)會(huì)復(fù)印到砂輪表面，導(dǎo)致砂輪不均勻磨損，而砂輪表面的波紋度又會(huì)加劇工件振動(dòng)，形成惡性循環(huán)[135]。磨削系統(tǒng)存在一個(gè)臨界剛度，當(dāng)機(jī)床剛度高于該臨界剛度時(shí)，磨削陶瓷材料過程中就不會(huì)發(fā)生顫振現(xiàn)象[134]；也存在臨界磨削參數(shù)，當(dāng)砂輪與工件間的幾何干涉較小時(shí)，也不會(huì)發(fā)生顫振[133]。周期性改變工件或砂輪的轉(zhuǎn)速，對(duì)自激振動(dòng)形成干擾，可以抑制顫振[133]。采用阻尼特性較好的床身材料有利于提高機(jī)床的動(dòng)態(tài)剛度，從而抑制顫振。提高球軸承的預(yù)緊力有利于降低主軸系統(tǒng)的振動(dòng)，但預(yù)緊力提高到一定程度后，降低振動(dòng)的效果就不再明顯[139]，采用靜壓軸承是提高機(jī)床剛度的更好方法。

砂輪的動(dòng)態(tài)特性是主軸系統(tǒng)振動(dòng)問題的最主要因素，砂輪不平衡、砂輪彈性變形都會(huì)降低動(dòng)態(tài)性能，從而使表面粗糙度和亞表面損傷升高[140-141]。磨削難加工材料時(shí)，單顆磨粒上承受更大的磨削力，磨粒破碎和結(jié)合劑斷裂更容易發(fā)生，砂輪不平衡引發(fā)的顫振會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的砂輪磨損。Oliveira等人[136]的研究表明，當(dāng)形成嚴(yán)重的顫振時(shí)，砂輪磨損量在數(shù)秒內(nèi)即可達(dá)到200 μm，磨削比迅速降到1以下。抑制由于砂輪不平衡引起的顫振的一個(gè)有效方法是將砂輪動(dòng)平衡和砂輪整形交替進(jìn)行，在砂輪主軸系統(tǒng)中增加阻尼器也可顯著降低顫振[133]。最新研究表明，采用CFRP作為砂輪主體材料制成的砂輪，其動(dòng)態(tài)性能獲得了大幅度提高，與傳統(tǒng)鋼基體砂輪相比，離心力引起的尺寸膨脹減小了59%，磨削過程中的顫振得到了有效抑制[142]。

4 改善難加工材料可磨削性的先進(jìn)技術(shù)

4.1 改善砂輪磨削性能的技術(shù)

4.1.1 磨粒有序化砂輪技術(shù)

砂輪堵塞是難加工材料磨削加工的主要問題之一。傳統(tǒng)砂輪表面的磨粒呈無規(guī)則排列，磨粒的出刃高度不一致，磨削區(qū)的動(dòng)態(tài)有效磨粒數(shù)量非常少，大部分磨粒起不到去除材料的作用，而只是在工件表面摩擦、耕犁，產(chǎn)生大量的磨削熱。大量無效磨粒的密集分布，導(dǎo)致容屑空間變小，在磨削鈦合金、鎳基高溫合金以及金屬基、樹脂基復(fù)合材料時(shí)，極易發(fā)生堵塞。

磨粒有序化砂輪技術(shù)顛覆了傳統(tǒng)砂輪的概念，使用特殊工藝方法使磨粒在砂輪表面有序排列，提高動(dòng)態(tài)有效磨粒的比例，增加砂輪容屑空間，從而延長(zhǎng)砂輪壽命，提高磨削表面完整性，此外通過調(diào)整磨粒排布參數(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)砂輪磨削性能的調(diào)控。實(shí)現(xiàn)磨粒有序排布的方法有多種，如孔模板技術(shù)、網(wǎng)篩排布技術(shù)、靜電排布技術(shù)、激光燒蝕技術(shù)、掩膜電鍍技術(shù)等[143]。

Aurich等人[144]建立了磨粒有序化排布模型，如圖19所示，利用模擬仿真技術(shù)對(duì)相關(guān)排布參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，并根據(jù)仿真計(jì)算得出的最優(yōu)排布參數(shù)，制備出磨粒有序排布的單層電鍍CBN砂輪。與傳統(tǒng)電鍍砂輪相比，使用電鍍有序化砂輪可以顯著降低磨削力[145]。高航等人[146]采用掩膜電鍍技術(shù)制備出磨料群可控排布砂輪，并開展了碳纖維復(fù)合材料磨削試驗(yàn)，結(jié)果表明，與普通電鍍砂輪相比，采用磨料群可控排布砂輪可顯著降低磨削力和表面粗糙度，由于有足夠的容屑空間，有效避免了砂輪堵塞，如圖20所示。電鍍有序化砂輪存在一定的問題，磨粒與金屬層接觸界面上未發(fā)生牢固的化學(xué)冶金結(jié)合，加工中容易導(dǎo)致部分磨粒因把持力不足而過早脫落，影響加工效果。

釬焊工藝可在磨粒與金屬結(jié)合劑之間形成牢固的冶金連接，顯著提高磨粒的把持力，相比電鍍工藝1/3的磨粒出刃高度，釬焊砂輪可實(shí)現(xiàn)70%～80%的磨粒出刃高度，進(jìn)一步增加了容屑空間[147]。采用釬焊工藝制備的磨粒有序排布砂輪磨削鈦合金和鎳基高溫合金，可顯著降低磨削力和磨削溫度，獲得較好的表面完整性[42,148]。

Butler-Smith等人[149]在CVD金剛石層上用激光燒蝕的方法加工出微結(jié)構(gòu)陣列，每一個(gè)陣列元素都具有相同的切削刃角度，如圖21所示，以Ti-6Al-4V為加工對(duì)象開展了磨削試驗(yàn)，結(jié)果表明，砂輪堵塞狀況和工件表面粗糙度明顯優(yōu)于普通電鍍金剛石砂輪。通過采用激光加工微結(jié)構(gòu)的方式在金剛石層上加工出微刃，可以使每一個(gè)“磨?！钡男螤畋３忠恢?，極大地提升了磨具的尺寸精度和磨削性能。

纖維和晶須形態(tài)的Al2O3和SiC具有高硬度、高耐磨性的特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用Al2O3和SiC纖維或晶須作為磨料制備了新型有序化砂輪，并開展了磨削硅片、磨具鋼、光學(xué)玻璃、石英、花崗巖以及陶瓷等材料的砂輪性能試驗(yàn)。結(jié)果表明，由于與砂輪結(jié)合劑間的結(jié)合強(qiáng)度高、結(jié)合面積大，纖維或晶須作為磨料不易脫落，具有很大的磨削比，且加工表面可達(dá)納米級(jí)精度[150-152]。伍俏平[153]通過結(jié)合粉末注射成型技術(shù)和真空釬焊技術(shù)制備出高長(zhǎng)徑比的金剛石微刃，并將金剛石微刃在砂輪胎體材料中進(jìn)行定向有序排布制備出新型金剛石砂輪，如圖22所示，相比單層釬焊砂輪，可顯著提高砂輪磨削能力。

圖19 磨粒有序化排布參數(shù)[144]（Δx-線距離，Δz-線內(nèi)磨粒距離，α-線角度，Δzv-線間磨粒的軸向距離）

圖20 磨料群可控排布砂輪與普通砂輪磨削CFRP砂輪堵塞對(duì)比[146]

圖21 激光燒蝕CVD微結(jié)構(gòu)磨具加工鈦合金的堵塞情況對(duì)比[149]

增材制造方法在制備有序化砂輪，尤其是對(duì)于形狀復(fù)雜的成型砂輪方面具有很大潛力。南方科技大學(xué)張璧團(tuán)隊(duì)在選區(qū)激光熔化增材制造有序化超硬磨料砂輪方面開展了探索性研究[154-155]，目前已對(duì)結(jié)合劑熔化過程、結(jié)合劑對(duì)金剛石顆粒潤(rùn)濕情況以及熔化結(jié)合劑的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)等內(nèi)容開展了理論與試驗(yàn)研究，但仍存在磨粒飛濺、氣孔率難以控制等問題，有待進(jìn)一步研究。

圖22 新型有序化金剛石微刃砂輪[153]

micro edge[153]: a) fibrous shaping body;

b) grinding wheel with ordered micro edge

4.1.2 先進(jìn)砂輪修整技術(shù)

為了保持砂輪具有持續(xù)的磨削能力，防止砂輪堵塞，砂輪的修整非常重要。傳統(tǒng)的砂輪修整方法主要有：以金剛石筆為工具進(jìn)行的車削修整法[156]，以磨石、磨塊、磨棒為工具的磨削修整法[157]，金剛石滾輪修整法[158]。傳統(tǒng)的機(jī)械修整方法工藝簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟，但修整效果難以控制，而且對(duì)于超硬砂輪的修整難度很大。近年來發(fā)展迅速的特種修整方法，如激光修整法[159]、電解修整法[160]、電火花修整法[161]、磨粒水射流修整法[162]等非接觸式修整方法，在修整精度、磨粒鋒利度、修整效率等方面比傳統(tǒng)修整方法有很大改進(jìn)，但修整工藝還不成熟，在工程應(yīng)用方面未得到大范圍推廣。復(fù)合修整法是將多種修整技術(shù)進(jìn)行組合以提高修整精度和效率，目前主要有激光-機(jī)械[163]、電解-機(jī)械[164]、電火花-機(jī)械[165]、超聲振動(dòng)修整[166]等方法。復(fù)合修整法具有很大的發(fā)展?jié)摿?，但由于工藝?fù)雜，成本高，目前還處于探索階段。

4.2 改善冷卻潤(rùn)滑條件的技術(shù)

4.2.1 改善冷卻條件的砂輪技術(shù)

4.2.1.1 熱管砂輪技術(shù)

磨削難加工金屬材料的磨削溫度過高，是造成表面完整性差和砂輪堵塞的主要原因。目前工業(yè)界主要通過向磨削區(qū)澆注大量磨削液以帶走磨削熱量，降低磨削溫度，但是大量磨削液的使用增加了成本并造成環(huán)境污染，而且由于磨削弧區(qū)內(nèi)的成膜沸騰現(xiàn)象，使工件表面被一層汽膜覆蓋，磨削液由于汽膜阻礙無法從工件表面帶走更多熱量[167]。

熱管是熱工領(lǐng)域的一種高效傳熱元件，熱管技術(shù)首先被美國(guó)Wisconsin大學(xué)的T. C. Jen用于降低鉆頭溫度，并被美國(guó)Lamb Technicon公司首先應(yīng)用于實(shí)際加工[167]。熱管砂輪技術(shù)基于內(nèi)冷卻方式實(shí)現(xiàn)對(duì)磨削弧區(qū)的強(qiáng)化換熱，它主要靠冷卻介質(zhì)的相變進(jìn)行熱交換，從而降低磨削溫度，如圖23所示。熱管的強(qiáng)化換熱改變了磨削熱進(jìn)入砂輪、工件、磨屑之間的比例，磨削區(qū)域的熱量經(jīng)熱管迅速疏導(dǎo)，以達(dá)到少用或不用切削液的目的[10]。國(guó)內(nèi)開展熱管砂輪研究工作的主要是南京航空航天大學(xué)徐九華團(tuán)隊(duì)，在熱管砂輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、傳熱性能分析、強(qiáng)化換熱性能分析、熱管砂輪制備、熱管砂輪磨削性能試驗(yàn)等方面開展了大量研究[168-174]。結(jié)果表明，采用熱管砂輪磨削鈦合金和鎳基高溫合金可顯著降低磨削溫度，改善加工質(zhì)量。熱管砂輪的制作工藝十分復(fù)雜，而且由于動(dòng)平衡問題難以解決，限制了其磨削速度，目前只能用于較低速度磨削。

圖23 環(huán)形熱管砂輪基本結(jié)構(gòu)[167]

4.2.1.2 內(nèi)冷卻砂輪

傳統(tǒng)磨削方式采用外部澆注式冷卻方法進(jìn)行換熱，但是砂輪高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，在其周圍會(huì)產(chǎn)生氣障層，磨削液難以有效進(jìn)入磨削區(qū)域。在砂輪結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)流道，使冷卻液經(jīng)砂輪內(nèi)部在離心力的作用下噴射至磨削區(qū)，可有效提升冷卻效果。Sasahara等人[127]研制出一種內(nèi)冷卻砂輪用來磨削CFRP復(fù)合材料，采用內(nèi)冷卻砂輪磨削的工件表面粗糙度和磨削溫度都明顯低于外冷卻。彭銳濤等人[175]利用流體動(dòng)力學(xué)方法分析了流道結(jié)構(gòu)對(duì)磨削區(qū)流場(chǎng)的影響，發(fā)現(xiàn)弧線形流道結(jié)構(gòu)下磨削區(qū)的流體速度和分布均勻性更高，開展了磨削鎳基高溫合金試驗(yàn)，結(jié)果表明，相比直線型流道，弧線形流道冷卻效果更好，磨削溫度和表面粗糙度都有明顯下降，如圖24所示。

圖24 不同流道結(jié)構(gòu)的內(nèi)冷卻砂輪[175]

4.2.2 綠色磨削技術(shù)

采用冷卻液澆注于磨削區(qū)的方式雖然能較為有效地降低磨削溫度，但是大量磨削液的使用與處理增加了成本，且對(duì)環(huán)境和人體健康都有危害，減少磨削液的使用，開發(fā)綠色環(huán)保的冷卻潤(rùn)滑技術(shù)意義重大。目前用于鈦合金、鎳基高溫合金、復(fù)合材料等難加工材料的綠色磨削技術(shù)主要有低溫冷風(fēng)[176]、液氮冷卻[177]、低溫氣動(dòng)噴霧[178-179]、微量潤(rùn)滑[76,180-182]等技術(shù)，其主要思路是通過低溫介質(zhì)或流動(dòng)空氣進(jìn)行強(qiáng)化換熱，或者通過降低磨粒-工件間的摩擦因數(shù)來減少摩擦生熱，進(jìn)而降低磨削溫度。液氮冷卻和低溫氣體射流冷卻的方式對(duì)于降低鈦合金、鎳基高溫合金的磨削溫度效果較好，可達(dá)到與澆注冷卻液同等效果，而微量潤(rùn)滑技術(shù)對(duì)于難加工金屬材料的降溫效果有限。值得一提的是，采用低溫冷風(fēng)或液氮冷卻方式磨削CFRP復(fù)合材料和SiCp/Al復(fù)合材料，可以顯著降低磨削損傷，提高表面完整性[176-177]，其機(jī)理在于，低溫可提高熱塑性基體材料的強(qiáng)度，增加對(duì)增強(qiáng)相的支撐，雖然低溫狀態(tài)的磨削力有所上升，但表面粗糙度明顯下降。某些情況下，冷卻液仍是必不可少的，例如在超精密磨削加工中，油基磨削液仍占主導(dǎo)地位。為了減少對(duì)環(huán)境的影響，研究人員嘗試用水基磨削液代替油基磨削液，最新研究成果表明，引入超細(xì)氣泡的新型水基磨削液在超精密加工實(shí)驗(yàn)中的性能與油基磨削液相當(dāng)[183]。也有研究人員通過改進(jìn)冷卻液噴嘴結(jié)構(gòu)[184]，使冷卻液有效突破氣障進(jìn)入磨削區(qū)，提高冷卻效率，從而使材料去除率大大提高，客觀上減少了冷卻液用量。

4.3 多能場(chǎng)復(fù)合加工技術(shù)

4.3.1 超聲振動(dòng)輔助磨削技術(shù)

超聲振動(dòng)輔助磨削是在磨粒運(yùn)動(dòng)軌跡上疊加高頻振動(dòng)，通過磨粒與工件材料的沖擊作用去除材料的一種復(fù)合加工方法，超聲振動(dòng)系統(tǒng)如圖25所示，主要包括超聲波發(fā)生器、換能器、變幅桿及磨削工具。由超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的高頻電信號(hào)經(jīng)換能器轉(zhuǎn)化為高頻機(jī)械振動(dòng)，再由變幅桿將振幅放大并施加到磨削工具上。當(dāng)磨粒切深小于2倍振幅時(shí)，磨粒與工件材料處于斷續(xù)接觸狀態(tài)，如圖26所示。磨粒的沖擊作用和斷續(xù)切削作用可降低磨削力，減輕砂輪磨損，有利于提高難加工材料的可磨削性。目前，超聲振動(dòng)輔助磨削方法已經(jīng)在難加工金屬材料、硬脆材料、復(fù)合材料的加工中得到廣泛應(yīng)用。

超聲振動(dòng)參數(shù)必須和磨削加工參數(shù)相匹配，才能發(fā)揮出超聲振動(dòng)輔助磨削加工方法的優(yōu)勢(shì)。加工鈦合金和鎳基高溫合金時(shí)，應(yīng)選擇較低的磨削速度和較小的磨削深度，以便冷卻液充分進(jìn)入到磨削區(qū)[186]，采用超硬磨料砂輪可降低表面粗糙度、延長(zhǎng)砂輪壽命[187]，但使用普通磨料砂輪，由于磨粒和結(jié)合劑破碎嚴(yán)重，反而會(huì)造成表面粗糙度增大、砂輪壽命縮短[188]。在超聲振動(dòng)作用下，硬脆材料的去除機(jī)理與普通磨削有很大區(qū)別，磨粒對(duì)于材料的沖擊作用會(huì)產(chǎn)生大量微小裂紋而粉末化，只需很小的力就可實(shí)現(xiàn)材料去除，有利于提高材料去除率[189]。但是關(guān)于引入超聲振動(dòng)是否有利于降低硬脆材料的表面粗糙度和亞表面損傷，學(xué)術(shù)界還存在爭(zhēng)議，不同的材料特性、不同的振動(dòng)參數(shù)都會(huì)影響試驗(yàn)結(jié)果，還需進(jìn)一步深入研究。對(duì)于復(fù)合材料，超聲振動(dòng)對(duì)于可磨削性的改善效果與材料特性相關(guān)。對(duì)于纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料，引入超聲振動(dòng)后，與傳統(tǒng)加工方法相比優(yōu)勢(shì)并不明顯，但對(duì)于纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料，超聲振動(dòng)對(duì)于抑制損傷、減輕砂輪磨損有明顯效果[189]；超聲振動(dòng)對(duì)于整體特性偏硬脆的高體積分?jǐn)?shù)SiCp/Al復(fù)合材料可磨削性的提升有非常明顯的效果[84]。

圖25 超聲振動(dòng)系統(tǒng)[84]

圖26 超聲振動(dòng)條件下金剛石磨粒的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征[185]

4.3.2 電解磨削技術(shù)

電解磨削又稱電化學(xué)磨削（ECG），其原理如圖27所示。工件作為陽極與直流電源正極相連，導(dǎo)電砂輪作為陰極與直流電源負(fù)極相連。磨削時(shí)，非導(dǎo)電性的磨粒使砂輪結(jié)合劑與工件表面形成一定的電解間隙，電解間隙中充滿了電解液。在電場(chǎng)作用下，工件表面生成疏松而硬度較低的鈍化膜，在磨粒的作用下被去除，使新的工件表面露出，繼續(xù)產(chǎn)生電解作用，從而達(dá)到不斷去除材料的效果。在電解磨削材料去除過程中，電化學(xué)作用一般占90%～95%，機(jī)械磨削作用僅占5%～10%[190]，因此可以達(dá)到比普通磨削更高的材料去除率、更小的加工損傷以及更低的砂輪磨損。

電解磨削在加工鈦合金和鎳基高溫合金等難加工金屬材料方面具有很大的優(yōu)勢(shì)，可降低磨削力和磨削溫度，大幅度延長(zhǎng)砂輪壽命，在大余量高效磨削方面有很大的實(shí)用價(jià)值[30,107]。電解磨削還可加工硬質(zhì)合金和Al2O3/Al等顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料[191-192]，電解作用使材料中的金屬相優(yōu)先被腐蝕，使得硬質(zhì)相的結(jié)合力被削弱而易于去除。硬脆材料大多導(dǎo)電性差，因此不適合用電解磨削方法加工。

圖27 電解磨削原理示意圖[193]

4.3.3 電火花機(jī)械復(fù)合磨削技術(shù)

傳統(tǒng)的電火花磨削是電火花加工的一種形式，以高速旋轉(zhuǎn)的高純度石墨輪作為工具電極，依靠石墨輪與工件間的火花放電產(chǎn)生的瞬時(shí)高溫熔化工件局部材料而實(shí)現(xiàn)材料去除，加工過程中石墨輪與工件不接觸。電火花機(jī)械復(fù)合磨削（EDDG）是在電火花磨削基礎(chǔ)上，將石墨輪用金屬結(jié)合劑金剛石砂輪代替，放電作用導(dǎo)致工件表面產(chǎn)生軟化的重鑄層，砂輪的磨粒持續(xù)磨削去除重鑄層，形成新的加工表面，使得放電持續(xù)進(jìn)行；同時(shí)砂輪的金屬結(jié)合劑也因放電被去除，相當(dāng)于對(duì)砂輪進(jìn)行在線修銳[194]。電火花機(jī)械復(fù)合磨削原理如圖28所示。

磨粒凸出高度和放電間隙是電火花機(jī)械復(fù)合磨削的關(guān)鍵因素，只有砂輪的金屬結(jié)合劑與工件材料的間隙滿足放電要求時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生放電作用，同時(shí)只有當(dāng)放電間隙小于磨粒凸出高度時(shí)，磨粒才可能對(duì)工件產(chǎn)生磨削作用[195]。采用EDDG方法加工金屬和金屬基復(fù)合材料時(shí)，可大幅度降低磨削力，提高材料去除率[196-197]。EDDG方法也可加工RB-SiC等弱導(dǎo)電性陶瓷[198-199]，而進(jìn)行非導(dǎo)電陶瓷材料的EDDG加工時(shí)，通常需要設(shè)置輔助電極來實(shí)現(xiàn)放電加工[200]。

圖28 電火花機(jī)械復(fù)合磨削原理示意圖[194]

與普通磨削加工相比，EDDG方法的材料去除率可提高2倍[194]，然而加工過程中放電作用產(chǎn)生的瞬時(shí)高溫使得材料表面及亞表面容易出現(xiàn)熱損傷，嚴(yán)重時(shí)熱影響區(qū)會(huì)出現(xiàn)明顯的微觀裂紋[201]，因此對(duì)脈沖電流、放電時(shí)間、占空比、砂輪轉(zhuǎn)速等參數(shù)的優(yōu)化和調(diào)控非常重要。

4.3.4 激光輔助磨削技術(shù)

激光輔助磨削技術(shù)主要用來解決硬脆材料的磨削加工效率低，且極易產(chǎn)生裂紋損傷的問題，其加工原理如圖29所示，采用激光光斑照射砂輪前方待磨削區(qū)域的工件材料表面，隨后用砂輪磨除材料。通過激光束對(duì)待磨削區(qū)域的預(yù)熱，可降低材料硬度和溫度梯度，使材料容易被去除，并抑制亞表面損傷的形成[202]。激光輔助磨削在氧化鋯、碳化硅、氮化硅等工程陶瓷磨削加工中得到了廣泛應(yīng)用[203-205]，研究表明，激光的介入可增大硬脆材料延-脆轉(zhuǎn)變切深，有利于提高材料去除效率。許勝[206]深入研究了氧化鋯陶瓷激光輔助磨削的輻照效應(yīng)與材料去除機(jī)理，結(jié)果表明，激光輻照使氧化鋯陶瓷表面改性，材料表層產(chǎn)生的熱致裂紋屏蔽了磨粒機(jī)械作用過程中產(chǎn)生的中央裂紋的擴(kuò)展；當(dāng)磨削創(chuàng)成表面處于熱致裂紋影響范圍內(nèi)，磨削力較小，表面質(zhì)量較差，但材料去除率較高；隨著熱致裂紋影響區(qū)逐漸被去除，表面質(zhì)量與普通磨削一致。楊凱華[207]開展了CVD金剛石微銑刀的激光誘導(dǎo)石墨化輔助精密磨削研究，結(jié)果表明，通過采用納秒激光誘導(dǎo)金剛石轉(zhuǎn)化為石墨，大幅度提高了磨削效率。

圖29 激光輔助磨削加工原理示意圖[203]

4.4 超高速磨削技術(shù)

難加工材料是一個(gè)相對(duì)概念，當(dāng)加工工具硬度和切削速度較低時(shí)，即使是普通的鋼鐵也會(huì)成為難加工材料。隨著超硬磨料、高速主軸、靜壓軸承等關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展，磨削速度得到了極大提升，這也為解決難加工材料可磨削性差的問題提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。日本先端技術(shù)研究會(huì)把超高速加工列為五大現(xiàn)代制造技術(shù)之一，國(guó)際生產(chǎn)加工協(xié)會(huì)（CIRP）將高速加工技術(shù)作為21世紀(jì)的中心研究方向之一，因此超高速磨削技術(shù)發(fā)展前景廣闊。

一般而言，砂輪線速度低于45 m/s為普通磨削，砂輪線速度在45～150 m/s之間為高速磨削，而砂輪線速度超過150 m/s為超高速磨削[208]。研究表明，無論是磨削鈦合金、鎳基高溫合金這類難加工金屬材料，還是SiC陶瓷這類難加工硬脆材料，提高磨削速度對(duì)于提升砂輪壽命、提高磨削質(zhì)量、降低磨削損傷都有促進(jìn)作用[209-211]。南方科技大學(xué)張璧團(tuán)隊(duì)對(duì)于高應(yīng)變率下材料的力學(xué)行為和損傷行為進(jìn)行了深入的理論分析，發(fā)現(xiàn)無論對(duì)于塑性材料還是硬脆材料，當(dāng)應(yīng)變率提高到一定程度，都會(huì)發(fā)生“材料脆化”現(xiàn)象[212]，而且隨著應(yīng)變率的提高，加工損傷的分布趨于表層，即存在“損傷趨膚”效應(yīng)[213]?！安牧洗嗷迸c“損傷趨膚”的普遍規(guī)律的發(fā)現(xiàn)，為超高速磨削技術(shù)奠定了理論基礎(chǔ)。對(duì)于鈦合金、鎳基高溫合金等難加工金屬材料，超高速磨削誘發(fā)的“材料脆化”將抑制由于塑性變形而導(dǎo)致的磨削熱的產(chǎn)生，同時(shí)“材料脆化”也將減輕砂輪的粘附與堵塞；對(duì)于硬脆材料，超高速磨削誘發(fā)的“損傷趨膚”效應(yīng)將降低亞表面損傷深度，顯著提高表面完整性；超高速磨削可以采用較高的進(jìn)給速度，因此可顯著提高材料去除率。

雖然超高速磨削對(duì)于解決難加工材料可加工性差的問題有很大潛力，但是目前超高速磨削在工業(yè)界應(yīng)用得還比較少。據(jù)統(tǒng)計(jì)，磨削速度超過200 m/s的應(yīng)用比例僅有13%，將近40%的磨削加工速度范圍是40～80 m/s[214]。分析其原因，首先，超高速磨削機(jī)床的技術(shù)含量非常高，對(duì)機(jī)床精度和剛度、砂輪強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)特性要求極為苛刻，目前核心技術(shù)主要掌握在德國(guó)、瑞士、美國(guó)、日本等少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家手中；其次，超高速磨削的成本較高，機(jī)床設(shè)備、超硬砂輪修整和動(dòng)平衡、磨削狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)、技術(shù)人員培訓(xùn)等方面的高成本使得其應(yīng)用受到局限。目前國(guó)內(nèi)外能達(dá)到超高速磨削速度區(qū)間的試驗(yàn)研究較少，針對(duì)不同材料達(dá)到“材料脆化”和“損傷趨膚”效果的磨削參數(shù)還有待于大量試驗(yàn)確定，超高速電主軸、超高速砂輪等關(guān)鍵裝備的性能還有待進(jìn)一步提升。

盡管超高速磨削目前還存在諸多局限性，但我國(guó)大力發(fā)展超高速磨削技術(shù)仍然有重大意義。超高速磨床屬于高端機(jī)床，在當(dāng)前國(guó)際形勢(shì)下，屬于我國(guó)被“卡脖子”的重要領(lǐng)域。超高速磨削裝備關(guān)鍵技術(shù)的突破，依賴于高端電主軸技術(shù)、靜壓軸承技術(shù)、超高速砂輪技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)、高端數(shù)控系統(tǒng)等多個(gè)重要領(lǐng)域的協(xié)同創(chuàng)新。超高速磨削技術(shù)的發(fā)展，將帶動(dòng)機(jī)床產(chǎn)業(yè)鏈和高端制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級(jí)。因此，發(fā)展超高速磨削技術(shù)不僅可為難加工材料的高質(zhì)高效加工提供一條技術(shù)路線，而且對(duì)于推動(dòng)我國(guó)裝備制造業(yè)的技術(shù)進(jìn)步具有重要意義。

5 討論

通過對(duì)難加工材料可磨削性的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀的回顧，不難看出，難加工金屬材料、硬脆材料和復(fù)合材料表面完整性各有特點(diǎn)。難加工金屬材料的強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性差，磨削力和磨削溫度高，導(dǎo)致工件表層容易出現(xiàn)拉應(yīng)力、白層、熱軟化層等加工損傷。硬脆材料的硬度高、斷裂韌性較低，容易出現(xiàn)表面和亞表面的裂紋損傷。復(fù)合材料的各向異性以及基體和增強(qiáng)體的性能差異，導(dǎo)致各組成相在力-熱載荷下的幾何不匹配和物理不匹配，磨削過程中容易出現(xiàn)增強(qiáng)相的斷裂和界面脫粘等損傷。除了表面完整性差，磨削難加工材料的砂輪磨損問題也比較突出，嚴(yán)重的砂輪磨損增加了加工成本，對(duì)磨削質(zhì)量也有十分不利的影響。改善難加工材料可磨削性的主要思路是降低磨削力和磨削溫度。

磨削力和磨削熱的來源都是工件材料在磨粒作用下的彈塑性變形和摩擦，磨削力和傳導(dǎo)到砂輪和工件的部分磨削熱影響著工件表面完整性和砂輪磨損。磨削力、磨削溫度的產(chǎn)生及其對(duì)難加工材料可磨削性的影響如圖30所示。降低磨削力和磨削溫度的主要思想是“節(jié)源”和“開流”?！肮?jié)源”就是從產(chǎn)生磨削力和磨削熱的源頭著手，通過減少工件材料在磨粒作用下發(fā)生的彈塑性變形和摩擦而降低磨削力和磨削溫度。“開流”就是從磨削力和磨削熱的傳導(dǎo)環(huán)節(jié)著手，通過減少傳入工件和砂輪的力和熱而降低磨削力和磨削溫度。本文提到的改善難加工材料可磨削性的方法與技術(shù)，都是基于“節(jié)源”和“開流”的思路，降低磨削力和磨削溫度，從而提高表面完整性，降低砂輪磨損。

超聲振動(dòng)輔助磨削、激光輔助磨削、電解磨削和電火花磨削方法都是通過外加能場(chǎng)使工件表層待加工材料的硬度降低或強(qiáng)度削弱，使材料去除過程中產(chǎn)生的磨削力顯著降低而提高可磨削性。利用外加能場(chǎng)削弱待加工材料層力學(xué)性能，可顯著提高材料去除率。但是多能量場(chǎng)輔助磨削工藝的實(shí)施較為復(fù)雜，外加能場(chǎng)參數(shù)與機(jī)械磨削參數(shù)的匹配是此類技術(shù)工程應(yīng)用的難點(diǎn)。

采用硬度高、與工件間摩擦因數(shù)小、化學(xué)穩(wěn)定性好的超硬磨料砂輪可以顯著降低磨削力和磨削溫度，提高磨削比。磨粒有序化砂輪、熱管砂輪和內(nèi)冷卻砂輪都是通過砂輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使磨削熱更容易排出磨削區(qū)域，從而提高了砂輪性能。超硬磨料砂輪的工程應(yīng)用還受到砂輪成本和修整成本的制約，目前亟需提高超硬砂輪的制造精度，開發(fā)高效低成本的修整方法。

圖30 磨削力和磨削溫度的來源及其對(duì)難加工材料可磨削性的影響

改善冷卻液性能、改善噴嘴性能、采用低溫冷卻介質(zhì)等工藝方法是通過強(qiáng)制散熱，降低磨削區(qū)溫度，從而提高難加工材料的磨削質(zhì)量。微量潤(rùn)滑磨削一方面通過潤(rùn)滑油液在磨削區(qū)的減摩作用降低摩擦生熱，另一方面通過壓縮空氣迅速將熱量帶出磨削區(qū)，是綠色環(huán)保的磨削工藝，但目前其冷卻效果與噴射磨削液方式相比還有明顯差距。

超高速磨削方法是利用材料在高應(yīng)變率下的固有響應(yīng)特性，即“材料脆化”效應(yīng)和“損傷趨膚”效應(yīng)，降低磨削力和磨削溫度，并將加工損傷降至極低的水平。超高速磨削在解決難加工材料加工損傷和提高加工效率方面有很大潛力，但是對(duì)機(jī)床的剛度和精度要求極高，對(duì)砂輪的動(dòng)態(tài)性能要求也極高，目前仍處于技術(shù)研發(fā)階段，在工業(yè)界應(yīng)用較少。

6 結(jié)論與展望

本文針對(duì)難加工金屬材料、硬脆材料和復(fù)合材料可磨削性差的問題，從工件表面完整性、砂輪堵塞與磨損、磨削顫振以及改善難加工材料可磨削性的先進(jìn)技術(shù)4個(gè)方面回顧了國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展，并對(duì)難加工材料可磨削性的共性問題展開了分析，主要結(jié)論如下：

1）對(duì)于鈦合金、鎳基高溫合金等強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性差的難加工金屬材料，過高的磨削溫度是導(dǎo)致其表面完整性差、砂輪粘附磨損嚴(yán)重的主要原因；對(duì)于硬脆材料，其可磨削性差主要表現(xiàn)為極易發(fā)生裂紋損傷；對(duì)于復(fù)合材料，基體與增強(qiáng)體的幾何、物理不匹配是導(dǎo)致其加工損傷的根本原因。

2）無論是難加工金屬材料、硬脆材料還是復(fù)合材料，降低磨削力和磨削溫度都有利于提高工件表面完整性和降低砂輪磨損；改善難加工材料可磨削性的基本策略不外乎減少工件材料磨削過程的彈塑性變形、減少磨粒-工件間的摩擦以及減少傳入工件和砂輪的力和熱。

3）改進(jìn)難加工材料可磨削性的有效的工藝方法可概括為：通過使用超硬磨粒、改進(jìn)砂輪結(jié)構(gòu)、磨粒有序排布從而提高砂輪磨削能力和散熱能力；通過使用低溫介質(zhì)強(qiáng)制換熱從而降低磨削溫度；通過多能場(chǎng)復(fù)合使待磨削材料層的強(qiáng)度、硬度削弱，從而易于去除；通過超高速磨削方法降低磨削力和磨削溫度，從而提高磨削效率，降低磨削損傷。

4）磨削顫振對(duì)難加工材料磨削表面完整性和砂輪磨損有十分不利的影響，提高機(jī)床剛度、改善砂輪動(dòng)態(tài)性能是抑制磨削顫振的主要思路。采取提高床身阻尼特性、采用靜壓軸承、減少傳動(dòng)環(huán)節(jié)、采用CFRP基體砂輪等措施可以提高磨床抗振性能。

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于難加工材料的磨削新工藝方法層出不窮，但絕大多數(shù)工藝方法都存在一定的局限性，加工效率、加工質(zhì)量和加工成本三者往往不能兼得。展望未來，高性能砂輪及其修整技術(shù)、高效冷卻潤(rùn)滑技術(shù)、多能場(chǎng)復(fù)合磨削技術(shù)以及超高速磨削技術(shù)的不斷發(fā)展，都有利于逐漸解決難加工材料的高質(zhì)高效加工難題；多種技術(shù)的交叉融合，或?qū)⒏淖儾牧先コ龣C(jī)理，改善難加工材料的可磨削性；先進(jìn)磨削裝備和磨削工藝的科研成果在向工程應(yīng)用的轉(zhuǎn)化過程中，需要重點(diǎn)關(guān)注如何降低加工成本。

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Grindability of High Performance Difficult-to-machine Materials

1,2,1,2,1,2,1,2,1,2,1,2

(1. Shenzhen Key Laboratory of Cross-scale Manufacturing Mechanics, Shenzhen 518055, China; 2. Southern University of Science and Technology, Shenzhen 518055, China)

High performance difficult-to-machine (DTM) materials are increasingly applied in advanced applications. The precision and accuracy requirements for key parts enhance unceasingly, but the grindability of materials with high performance is inferior, which proposes an enormous challenge to the grinding process. To improve the surface integrity and reduce grinding wheel wear, scholars at home and abroad have carried out extensive research. This study comprehensively reviews the recent research progress on grindability of DTM materials (e.g., metallic materials, ceramic materials, and composites) from four aspects, including surface integrity, grinding wheel blockage and wear, grinding chatter, and advanced technologies for improving grindability. The study first discusses the characteristics and common problems of grindability of DTM materials and summarizes the underlying formation mechanism of machining damage. It is concluded that the main strategy to improve the grindability of a material is to reduce grinding force and temperature. Furthermore, the study analyzes the sources of grinding force and temperature, and their influences on the surface integrity and grinding wheel wear. On these bases, the study puts forward a process strategy to reduce grinding force and temperature inspired by the ideas of “reducing the inflow” and “promoting the outflow”. Finally, high-quality and efficient machining methods for DTM materials have prospected. The study points out that high quality and efficient machining of DTM materials rely on the continuous development of various advanced techniques, including high-performance grinding wheel and its dressing techniques, high-efficiency cooling and lubrication techniques, multi-field hybrid grinding techniques and ultra-high-speed grinding techniques.

titanium alloy; superalloy; hard brittle materials; composites; grindability; surface integrity; grinding wheel wear

2021-11-15；

2022-01-14

LU Shou-xiang (1986—), Male, Ph. D., Research focus: ultra-high-speed grinding technology and low damage machining of composite materials.

張璧（1957—），男，博士，講席教授，主要研究方向?yàn)槌咚倬芗庸だ碚?、裝備與工藝。

ZHANG Bi (1957—), Male, Ph.D., Chair professor, Research focus: theory, equipment and technology of ultra-high-speed precision machining.

盧守相, 郭塞, 張建秋, 等. 高性能難加工材料可磨削性研究進(jìn)展[J]. 表面技術(shù), 2022, 51(3): 12-42.

TG580

A

1001-3660(2022)03-0012-31

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.03.002

2021-11-15；

2022-01-14

深圳市跨尺度制造力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（ZDSYS20200810171201007）；深圳市人才項(xiàng)目（KQTD20190929172505711）；深圳市孔雀技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目（KQJSCX20180322152221965）；深圳市重點(diǎn)項(xiàng)目（JSGG20210420091802007）

Fund：Shenzhen Key Laboratory of Cross-scale Manufacturing Mechanics (ZDSYS20200810171201007); Shenzhen Talent Project (KQTD 20190929172505711); Shenzhen Peacock Technology Innovation Project (KQJSCX20180322152221965); Shenzhen Key Technology Project (JSGG20210420091802007)

盧守相（1986—），男，博士，主要研究方向?yàn)槌咚倌ハ骷夹g(shù)與復(fù)合材料低損傷加工技術(shù)。

LU Shou-xiang, GUO Sai, ZHANG Jian-qiu, et al. Grindability of High Performance Difficult-to-machine Materials[J]. Surface Technology, 2022, 51(3): 12-42.