工程陶瓷的機械加工技術研究進展

雷 蕾，田欣利，王 龍，王望龍

(裝甲兵工程學院，裝備再制造技術國防科技重點實驗室，北京 100072)

工程陶瓷的機械加工技術研究進展

雷 蕾，田欣利，王 龍，王望龍

(裝甲兵工程學院，裝備再制造技術國防科技重點實驗室，北京 100072)

工程陶瓷具有硬度高、耐磨性好、性能穩定等許多優異的性能，因而在各個行業中都得到了廣泛的應用。在國內外學者的相關研究基礎上，工程陶瓷加工技術的新方法得到了長足發展。由于工程陶瓷具有的顯著硬脆特性，機械加工是最為常用的傳統加工技術。結合最近幾年相關文獻與資料，本文闡述了國內外關于高速/超高速磨削、深切緩進給磨削、高速深磨磨削等工程陶瓷機械加工技術的相繼發展情況。此外，還闡述了基于邊緣碎裂效應的切割-推擠式加工和能量輔助切削加工兩項新型加工技術。

工程陶瓷；機械加工技術；研究進展；能量輔助切削加工

0 引 言

工程陶瓷具有輕質、抗腐蝕、耐高溫、熱膨脹系數小、抗熱震能力、自潤滑能力、耐磨損及和摩擦系數低等優異性能，目前已廣泛應用在了能源工程行業、汽車工業、機械行業、化工石油行業、航空航天領域、冶金建材行業以及軍事工程等領域[1,2]。

工程陶瓷加工技術通常分為三類：特種加工技術、復合加工技術和機械加工技術。目前，機械加工技術在工程陶瓷加工中的應用最為廣泛，其中使用金剛石砂輪進行磨削加工技術較成熟。為了提高工程陶瓷等硬脆難加工材料的效率，國內外陸續提出了許多高效磨削的創新性加工理念和新技術。鑒于加工過程本身就是一種對材料的可控性的破壞過程，基于邊緣碎裂效應的切割-推擠式加工技術充分利用了裂紋、邊緣破碎等缺陷的優勢。盡管近十余年，國內外新發展了很多先進特種加工技術，但它們工藝不完善，加工成本高，基本沒有得到廣泛的實用。然而，能量輔助切削技術便于實現改善工程陶瓷的可切削性能，業已成為國內研究的熱點。

通信聯系人：王龍(1989-)，男，博士。

1 高效磨削加工技術

1958年西德ELB磨床公司提出了深切緩進給磨削加工方法，它以進給速度緩慢和背吃刀量較大為顯著特征，是一種高效的磨削加工方法[3-5]。G.Werner[6]經實驗研究并推導了深切緩進給加工的磨削力模型，指出深切緩進給磨削的磨削力是普通磨削加工過程的2-4倍。利用緩進給超聲磨削試驗，德國G.Spur等[7]將加工參數對氧化鋁和氮化硅陶瓷材料在加工過程中的磨削力、砂輪磨損及加工表面粗糙度等指標的影響進行了對比分析。美國T.W.Liao等[8,9]通過對氧化鋁的深切緩進給磨削試驗，分析了砂輪磨損機理和加工表面質量。國內的專家學者也對深切緩進給磨削加工技術進行了全面深入的研究。利用工程陶瓷緩進給磨削加工技術，徐燕申、周燦豐等[10-12]對磨削力等特征參數進行了單因素實驗以及正交試驗的研究，指出了磨削作用力隨著磨削寬度和工件轉速，以及磨削深度的增大而增大，隨著砂輪轉速的增大而減少，且加工表面完整性比普通磨削好。駱明濤等[13]指出深切緩進給磨削加工的磨削熱量有相當大一部份會被磨屑帶走，工件轉速和磨削深度越小，磨削溫度越低。自2009年，裝甲兵工程學院[14,15]對小砂輪軸向大切深緩進給磨削加工方法進行了系統研究，依靠高速旋轉的小砂輪以較大的切深并軸向緩進給磨削工件的內外表面(工件軸線與小砂輪軸線平行)，工件的轉速較低。由于所選用的砂輪尺寸較小，因而無需考慮靜平衡或動平衡的問題,且它的磨削過程中受到的切削抗力較小，能量消耗小，并對設備機床的主軸功率要求不高，有利于降低加工成本。

Correspondent author:WANG Long(1989-), male, Ph.D.

E-mail:waloxs@163.com

1931年在德國的薩洛蒙博士(Carl. J. Salomon)[16]發表的Salomon曲線中首次在全世界范圍內提出了高速/超高速加工的概念。通常可以將砂輪線速度達到45 m/s和150 m/s時作為界定普通磨削、高速磨削和超高速磨削的臨界點值。而高速／超高速磨削加工技術在歐美國家發展較早并且發展較為迅速。1979年Bremen大學的P.G.Werner等人[17]針對高效深磨區的合理性問題進行了預言。1983年Bremen大學與Guhring Automation公司合作制造出了世界首臺可用于高效深磨的機床，額定功率大小為60 kW，主軸轉速可達到 r/min，砂輪的圓周線速度可以達到209 m/s。2000年美國S.Malkin等[18]在線速度為149 m/s的加工條件下，利用電鍍金剛石砂輪實現了對氮化硅陶瓷的磨削加工。1994年德國的Junker公司[19,20]使用CBN或人造金剛石砂輪開發了速度可達200 m/s的高速點磨削技術。國內于1958年開始研究高速磨削技術，目前湖南大學等院校的高效磨削重點實驗對超高速磨削技術的部分研究成果已達到國際前列。湖南大學謝桂芝等[21,22]人對高速深磨加工技術進行了系列的研究，指出磨削深度對表面損傷影響不大，通過增大砂輪線速度和磨削深度有利于提高加工效率，但不利于砂輪使用壽命的延長。開展高速磨削實驗研究，Huang等[23]人指出加快砂輪轉速可使單位時間內參與磨削的磨粒數目增多，單個磨粒的最大磨削深度變淺，有利于實現了陶瓷材料的塑性去除，此外通過減少磨削深度和工件速度可以改善陶瓷的加工表面質量。

深切緩進給磨削的材料去除率較高，有利于提高生產效率；且砂輪磨損小，有利于保證工件的加工精度的穩定；但由于磨削深度較大，磨削液難以進入冷卻，它的磨削熱較大，易燒傷工件；較大的磨削力對磨削機床的剛度及功率有較高要求。國內外工程陶瓷材料的高速／超高速磨削加工研究往往要提高砂輪轉速和加大背吃刀量，但其對砂輪強度有很嚴格要求，才保證在高速旋轉下不會破裂；其磨削力大，對砂輪傳動系統功率及機床剛性要求高，設備等成本代價太高。在利用加工刀具對工程陶瓷進行接觸磨削的傳統加工方法中，必須選用硬度大于工程陶瓷的材料做刀具，同時由于陶瓷材料的高硬度，加工刀具在整個過程中損耗嚴重，使得加工成本較高。

2 基于邊緣碎裂效應的切割-推擠式加工技術

工程陶瓷在常規磨削加工過程中，因受到熱應力、機械應力等作用，將產生磨削表面/亞表面裂紋、表面破碎、邊緣碎裂等脆性損傷，它們隨機發生難以控制。缺陷前沿形成局部應力集中，易引發材料內部裂紋萌生或擴展，成為損壞陶瓷磨削表面品質和強度性能的潛在裂紋源。由于工程陶瓷對裂紋、殘余拉應力等缺陷非常敏感，使得在加工過程中工程陶瓷的質量普遍難以控制。實際上，加工過程本身就是一種對材料的可控性破壞過程，基于此原理，裝甲兵工程學院于2013年開始研究工程陶瓷基于邊緣碎裂效應的切割-推擠式加工技術[32,33]。圖1是新技術加工原理圖，圖2是采用高速攝像記錄的實際加工過程。正是利用切割形成的多個凸緣使邊緣數量增加，且在凹槽內預制裂紋缺陷，以至在加工過程極易出現邊緣破碎效應使裂紋擴展形成切屑，從而實現表層材料去除。在外加三維拉應力場和自由邊緣表面應力場馳豫的綜合作用下，陶瓷材料內部依次經歷了預制微裂紋的迅速擴展貫通及斷裂過程，直到材料破碎去除。

此新型加工方法通過在特定條件下促使裂紋缺陷由“害”向“利”發生轉化，從而大大減小了傳統陶瓷加工依賴外部輸入高能量以及只有用超高硬度的刀具才能加工的束縛，通過硬度較低的工具在能量消耗較小的作用下即可實現加工。該項新技術不依靠普通意義上的“切削”作用，因此對推擠工具的刀刃鋒利性沒有要求，甚至可以使報廢的車刀，很好的節約成本。此新型加工方法有利于改變陶瓷加工成本高的現狀，有助于推動工程陶瓷材料的廣泛運用。

圖1 加工原理圖Fig.1 Schematic diagram of processing

圖2 破碎過程的高速攝像Fig.2 High speed photography of crushing process

3 能量輔助切削加工技術

超聲振動輔助切削加工充分利用振動造成的脈沖切削作用，有利于減少刀具與工件之間硬切削的摩擦作用，以及改善切削溫度和切削力。周澤華、葉邦彥等[24]人開展了超聲振動車削系統的研究，利用刀具規則的強迫振動改善硬脆材料的加工性。

2003年，裝甲兵工程學院吳志遠等[25]人針對等離子噴涂Al2O3+13%TiO2陶瓷涂層的車削加工過程就利用超聲波振動輔助切削加工技術，充分的試驗研究表明超聲波振動輔助切削加工能顯著有效的提高刀具的耐用度，它們的有效切削時間是普通車削的4倍。郭偉光、王軍等[26,27]先后對超聲振動輔助的車削和磨削加工研究，都表明能較好的減少已加工表面的殘余裂紋，有效提高加工質量。

1978年，美國的S.M.Copley和M.Bass最早開展激光加熱輔助切削研究，采用激光照射切削刃前的材料進行輔助切削，降低切削力，延長刀具壽命，降低表面粗糙度，減少殘余應力。美國的Purdue大學[28,29]通過比較對Si3N4、莫來石等陶瓷材料進行了較多的試驗，且建立三維瞬時溫度場傳遞的數學模型和物理模型。Shin Y C等[30]人對氮化硅、氧化鋁、氧化鋯等陶瓷開展激光加熱輔助磨削實驗，可以通過對材料的局部預熱，降低材料的脆性和硬度，實現陶瓷材料的脆性去除向塑性去除的轉變。加熱輔助切削技術近年來在國內的研究界也是熱點，學者們開展了大量的研究性實驗工作。湖南大學金湘中、陳沛等[31]人還先后對CO2激光輔助加熱車削氮化硅陶瓷和氧化鋁陶瓷的加熱區域構立了溫度場數學模型，并通過大量實驗研究了CO2激光輔助加熱車削過程的切削力、切屑形狀、刀具磨損及加工后表面質量狀況。然而，加熱輔助切削過程中由于不可避免的會導致刀具溫度的提高，反而有時也會導致刀具磨損變嚴重，此外，由于待加工區域中加熱輔助溫度不均勻，使得工件由表到里的材料軟化程度逐漸減弱，材料硬度的變化使得刀具在切削加工過程中受到來自工件反作用力不均勻，因而需要恰當選擇切削深度，防止出現刀尖耗損嚴重甚至崩刃的情況，同時合理選擇切削深度也有利于提高工件表面加工質量，防止出現工件表面裂紋。

4 結 論

工程陶瓷的硬脆特性，使其成為典型的難加工材料，從而成為阻礙其發展的“瓶頸”。由于近年來各行業市場需求驅動，無疑促進了陶瓷加工技術的迅速進一步發展。磨削是典型的材料精加工方法，在硬脆材料上得到深入推廣且技術越加成熟，相繼開發出了高速/超高速磨削、深切緩進給磨削、高速深磨磨削等技術，且在今后較長時間內依舊將是工程陶瓷最為常規的可靠加工方法，并繼續促使磨削機床和砂輪等加工系統相關技術日益進步，磨削加工將越加趨向于高效率、高精度、低成本。基于邊緣碎裂效應的切割-推擠式加工技術提供了高效率、低成本的新型機械加工方式，它首次巧妙利用預制裂紋等缺陷和邊緣碎裂效應，以較小的能量消耗和低于被加工材料硬度的工具就能實現粗加工。為了滿足工業界對陶瓷零件高精度、高質量的迫切需求，工程陶瓷表面超精密磨削、研磨與拋光加工技術也得到重視，除機械拋光外，彈性發射加工、界面反應拋光、磁流體拋光等拋光技術也得到蓬勃發展與廣泛運用。

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Research Progress of Mechanical Processing Technology of Engineering Ceramics

LEI Lei, TIAN Xinli, WANG Long, WANG Wanglong
(National Defense Key Laboratory for Remanufacturing Technology, Academy of Armored Forces Engineering, Beijing 100072, China)

Engineering ceramics which have high hardness, good wear resistance and performance stability have been widely used in various industries. On the basis of relevant research results by domestic and foreign scholars, new processing technologies of engineering ceramics obtain considerable development. Mechanical machining is the traditional processing technology which has been commonly used because of the hardness and brittleness of engineering ceramics. This paper reviews the recent developments of high/ ultra high speed grinding, deep creep and slow feed grinding, high speed and deep creep grinding, etc. In addition, it also describes the cutting and extruding processing technology based on edge-chipping effect and energy assisted machining technology.

engineering ceramics; mechanical machining technology; research progress; energy assisted machining

date: 2016-03-17. Revised date: 2016-05-10.

10.13957/j.cnki.tcxb.2016.05.002

TQ174.75

A

1000-2278(2016)05-0460-05

2016-03-17。

2016-05-10。

國家自然科學基金(51475474)。