工程陶瓷材料磨削加工技術研究

邵水軍 趙 波

（河南理工大學機械與動力工程學院，河南焦作454000）

0 引言

工程陶瓷具有硬度高、耐高溫、耐磨損、耐腐蝕以及質量輕、導熱性能好等優點，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、汽車等領域得到了廣泛的應用[1,2]。但是，工程陶瓷也存在著某些缺陷，主要表現為它的脆性大(易產生裂紋)、均勻性差，韌性、強度不高，可靠性低，可加工性差等。而工程陶瓷材料的應用需要高表面完整性和尺寸精度，而且其對加工表面層特性的要求也非常苛刻。工程陶瓷材料加工占材料的總成本的50～70%，高加工成本以及難以控測的加工表面損傷層，極大地限制了其廣泛應用[2,3]。當前，傳統的加工方法已經不能滿足現代科技的需要，有關工程陶瓷精密超精密磨削加工技術和材料表面成形技術已成為當今世界各國研究的熱點[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、硅化物及復合化合物所構成的材料。工程陶瓷主要指可用于工程方面的具有高強度、高耐磨性、耐高溫、由氧、碳、硅、硼等材料燒結而成的陶瓷材料。

陶瓷材料的性能取決于晶體點陣結構。陶瓷材料的原子間結合力主要為離子鍵、共價鍵或離子共價混合鍵。不同陶瓷材料的共價鍵和離子鍵所占的比例不同，性能也有所差異。共價鍵的主要特點是它的方向性，使晶體擁有較高的抗晶格畸變和阻礙位錯運動發展的能力，使陶瓷呈現出較高的硬度和彈性模量；離子鍵晶體的方向性不明顯，主要表現為靜電作用力，它是決定離子鍵陶瓷結構的主要因素。主要由離子鍵構成的陶瓷材料在靜電作用下呈現出較高的強度，且強度受溫度影響較大；而主要由共價鍵構成的陶瓷材料則受溫度的影響不大，所以共價鍵比例大的陶瓷熱膨脹系數低，導熱率高，更適合做高溫結構材料。陶瓷材料結構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、高熱導率和質量輕等。

2 磨削加工機理

磨削加工是目前陶瓷材料已有加工方法中應用最多的一種，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。對金剛石砂輪磨削工程陶瓷的磨削機理有不同的解釋，有學者采用瞬間微觀變形和破碎累計[8]、壓痕斷裂力學模型近似[9,10]、切削模型近似[11]等理論對工程陶瓷材料磨削機理進行解釋。

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

3 磨削加工方式

近年來高效磨削加工、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，解決了工程陶瓷材料磨削加工中的諸多難題，并為其廣泛應用提供了強有力的工藝支持。

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]，國內外學者相繼提出并開發了高速磨削、緩進給磨削、恒壓力磨削、高速深磨加工及高速往復磨削等高效磨削工藝，在一定程度上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則真正使磨削加工實現了高效優質的結合，被譽為磨削技術發展的高峰。高速深磨加工復合了高速磨削、緩進給磨削的特點，采用超硬磨料砂輪和可靠實現高速運動的高精度、高自動化、高柔性的制造設備，以大的磨削量實現材料的局部微脆性裂紋與塑性斷裂的復合方式去除，實現提高材料磨除率、加工精度和加工質量[2]。

研究中使用2016年5月7日～8日、10日～11日共4個時相的高分四號衛星全色多光譜衛星圖像，見圖2，數據格式為Geotiff，均為經過系統輻射校正的1A級數據產品.該時間段內衛星覆蓋區域內的積雪為天山山脈等高山地區積雪，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成功的開發了ELID新工藝，采用微細磨粒鑄鐵纖維基金剛石砂輪，采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[19]。后來，HitoshiOhmori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，光學玻璃和陶瓷進行ELID磨削，研究了磨粒尺寸與粗糙度的關系，用SEM、AFM分析研究表面廓形獲得了高精度、低表面粗糙度的優質表面，可代替研磨和拋光。哈爾濱工業大學[20]采用ELID磨削技術對硬質合金、陶瓷、光學玻璃等脆性材料實現了鏡面磨削，磨削表面質量與在相同機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到納米級。

3.3 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。材料脆性去除是通過裂紋的擴展和交叉來完成的；而材料塑性去除則是以剪切加工切屑的形式使材料產生塑性流動。對于工程陶瓷等脆性材料，采用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，在超過強度極限的切削力作用下，材料的大小粒子發生脆性斷裂，將嚴重影響被加工表面完整性和加工質量。由加工實踐可知，在加工工程陶瓷材料時，可采用極小的切深來實現塑性去除，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的復合加工過程，即在磨削加工的同時，對工具或工件施加超聲頻振動，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和加速度頻繁地撞擊被加工表面，從而達到去除材料的目的。超聲復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年清華大學王先逵教授研究了硬脆材料的超聲砂帶磨削技術，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上，于1996～1998年研究了超聲、普通珩磨工程陶瓷和高強度鋼的材料去除機理，建立了適應于高強度鋼和硬脆材料的高效去除率模型，同時研究了超聲珩磨的表面微觀特性，通過電鏡觀察了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渡現象，證實了在超聲加工下，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等。超聲振動加工可以明顯提高脆性材料的臨界延性磨削深度，要求同樣表面質量時，該方法可顯著提高生產率[23]。當前，超聲波振動磨削在加工硬脆性難加工材料的應用日趨廣泛，已成為人們普遍關注的一種加工方法。

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

4 磨削表面損傷及其測試

4.1 磨削裂紋及其測試[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生的應力引起的。橫向裂紋平行于材料表面，同時產生晶粒剝落和材料去除過程。徑向裂紋則垂直于材料表面和加工方向。

人們已經探索了一些非損傷法和損傷法來探測工程陶瓷在磨削過程中所產生的裂紋：應用超聲波方法可以探測出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可以探測出陶瓷磨削中的中位/徑向裂紋和橫向裂紋；此外還有光學顯微鏡、熱波映像、氬爆光技術、氣泡試驗和X射線聚焦等方法。

4.2 磨削表面殘余應力及其測試

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

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

5 結束語

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。目前，國內在工程陶瓷材料高效、精密、超精密磨削加工方面有待加強，在今后的研究中需要集中在以下幾個方向：研究適合工程陶瓷材料的新的磨削加工理論和技術；磨削過程的計算機控制和在線檢測、診斷，以提高材料的加工精度和表面質量；新型且更適用的磨料、磨具、磨削液的研制開發；研制高精度高剛性的自動化磨床及磨削加工中心。當前，非穩態磨削與無損磨削等領域的研究已引起人們的關注[26]。伴隨著理論研究的深入和新加工技術的不斷出現，工程陶瓷磨削加工技術將會向更深一步發展，也將在更多領域應用、推廣。

1李伯民,趙波.現代磨削技術.北京:機械工業出版社,2003

2杜建華,劉永紅,李小朋等.工程陶瓷材料磨削加工技術.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.現代制造工程,2005(5):99～103

4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.上海交通大學,1999,6

5[澳大利亞]M.V.斯溫主編.郭景坤等譯.陶瓷的結構與性能.北京:科學出版社,1998

6金志浩,高積強,喬冠軍.工程陶瓷材料.西安:西安交通大學出版社,2000

7張昌娟.硬脆材料高效復合研拋機理研究.河南理工大學, 2005,6

8李剛,林彬.優質陶瓷零件的超精密加工技術研究.科學通報, 1991,36(15):1188～1190

9龔江宏.陶瓷材料斷裂力學.北京:清華大學出版社,2001

10 LAWN B R,EVANS A G.A model for crack initiation in elastic/plastic indentation fields.J.Mater.Sci.,1972,12: 2195～2199

11張璧,孟鑒.工程陶瓷磨削加工損傷的探討.納米技術與精密工程,2003,1:48～56

12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.上海交通大學機械工程學院,2006

13林濱.工程陶瓷超精密磨削技術研究.天津:天津大學機械工程學院,1998

14 BHUSHAN B,LI X.Micromechanical and tribological characterization of doped single-crystal silicon and poly-silicon film for microelectromechanical systems.J. Mater.Res.,1997(12):54～63

15 LUCCA D A,SEO Y W.Effect of tool edge geometry on energy dissipation in ultraprecision machining.Annals of the CIRP,1993,42(1):83～85

16 KOMANDURI R,CHANDRASEKARAN N,RAFF L M. Effect of tool geometry in nanometric cutting:a molecular dynamics simulation approach.Wear,1998,118:84～97

17 RENTSCH R,INASAKI I.Molecular dynamics simulation for abrasive process.Proceeding of the 1st International EUSPEN conference,Bremen,1999:250～253

18許小靜.淺析工程陶瓷的高效磨削技術.山東陶瓷,2006,29(2): 32～34

19 OHMORI H,TAKAHASHI I,BANDYOPADHYAY B P. Ultra-precision grinding of structural ceramics by electrolytic in-process dressing (ELID)grinding.Materials Processing Technology,1996,57:272～277

20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

21向道輝.納米氧化鋯陶瓷的超聲磨削機理研究.河南理工大學,2004,6

22王先逵等.超聲砂帶精密磨削技術.電加工,1988,.4

23向道輝等.納米氧化鋯陶瓷的超聲振動延性域磨削特性研究.工具技術,2009,43(8):30～34

24鄧朝暉,張璧,周志雄.陶瓷磨削的表面/亞表面損傷.湖南大學學報(自然科學版),2002,29(5):61～71

25孔令志,趙波.工程陶瓷磨削表面/亞表面損傷的產生及其控制.機械制造與研究,2010,39(1):63～66

26劉超,楊俊飛等.工程陶瓷磨削加工工藝研究現狀及進展.新技術新工藝,2009(7):6～103