工程陶瓷材料磨削加工技术研究

邵水军

（河南理工大学 机械与动力工程学院，焦作 454000）

0 引言

工程陶瓷具有高硬度、耐高温、耐磨损、耐腐蚀以及轻质量、导热性能好等诸多优点，是继金属和塑料之后的“第三代结构材料”，在国防、航空航天、电子、汽车等领域而得到了广泛的应用[1,2]。但是，工程陶瓷材料也存在着脆性大、均匀性差、韧性和强度不高、可靠性低、可加工性差等一些缺陷。工程陶瓷材料的广泛应用需要高表面完整性和尺寸精度，其加工成本占材料总成本的50%-70%，高加工成本和难以测控的加工表面损伤层，极大地限制了其应用领域的拓展[2,3]。

1 磨削加工机理

目前，磨削加工技术是陶瓷材料已有加工方法中应用最多的，特别适用于加工平面或柱形工件，所选用的砂轮一般是金刚石砂轮。对于金刚石砂轮磨削工程陶瓷的磨削机理，相继有学者采用瞬间微观变形和破碎累计、压痕断裂力学模型近似、切削模型近似等不同的理论进行解释。

对工程陶瓷材料磨削机理的解释还有很多，这里有一个共同点，就是塑性变形和脆性断裂是形成材料去除的主要原因。随着科学技术的进步，加工机理研究已经深入到微观甚至纳观领域。天津大学林滨[4]以陶瓷材料断裂力学、线性断裂力学及微观断裂物理学为理论基础，采用有限元分析法，系统分析了磨削加工过程中微裂纹的产生机理及影响因素，建立了裂纹分布模型，确定了材料脆性去除、塑性去除转换的临界条件。借助于SPM技术，国外学者对超精密加工技术机理进行了研究[5]：美国俄亥俄州立大学的Bharat Bhushan教授用AFM对单晶硅在室温下进行微切削实验研究；日本宇都宫大学的Yoshio Ichida用原子力显微镜和扫描电子显微镜对单点金刚石车削获得的硅表面及切屑进行检测实验研究。

2 磨削加工方式

2.1 高效磨削加工

为了保持陶瓷材料表面完整性和尺寸精度并获得最大的材料磨除率，国内外学者相继提出并研发了高速磨削、恒压力磨削、缓进给磨削、高速深磨加工及高速往复磨削加工等高效磨削加工工艺，基本实现了工程陶瓷材料的高效磨削加工。近年来提出的高速深切磨削加工是磨削加工技术发展的高峰，它复合了高速磨削、缓进给磨削的特点，采用超硬磨料磨粒砂轮以大的磨削用量实现材料的局部微脆性裂纹和塑性断裂的复合方式去除，实现优质高效磨削[2]。

2.2 ELID磨削加工

1990年，日本理化院Hitoshi Ohmori成功的开发了ELID工艺，采用微细磨粒铸铁纤维基金刚石砂轮，选用普通机床在磨削过程中进行砂轮的在线修整，实现了对硅片的镜面磨削加工。后来，Hitoshi Ohmori又对ELID进行了改进，用几微米甚至亚微米的金刚石磨粒的铸铁基砂轮对单晶硅、光学玻璃和陶瓷材料进行ELID磨削，获得了高精度、低表面粗糙度的优质表面，可一定程度的代替研磨和抛光。哈尔滨工业大学[6]采用ELID磨削技术对硬质合金、陶瓷材料、光学玻璃等脆性材料实现了镜面磨削加工，磨削表面质量大幅度提高，部分工件的表面粗糙度尺值低至纳米级。

2.3 塑性域磨削加工

传统的材料去除过程一般有脆性去除和塑性去除两种方式。材料脆性去除是通过裂纹的扩展、交叉来完成的；材料塑性去除则是以剪切加工切屑的形式使材料产生塑性流动。对于工程陶瓷等硬脆材料，传统的加工技术及工艺参数只会导致脆性去除而不会产生显著的塑性流动，将发生脆性断裂，会严重影响被加工表面完整性和加工质量。在加工工程陶瓷材料时，可采用极小的切深来实现材料的塑性去除，即材料可在微小去除条件下从脆性破坏向塑性变形转变。超精加工技术的最新进展己可将加工进给量控制在几个纳米，从而使脆性材料的去除加工由脆性转变为塑性，显著降低加工表面层破坏程度。

2.4 超声磨削加工

超声磨削加工，是在磨削加工的同时，对工具或工件施加超声频率振动，充分利用超声波的高频振动和空化作用，使工具和磨粒产生极高的速度、加速度频繁地撞击被加工工件表面，从而达到去除材料的目的。超声磨削加工方式较适用于陶瓷材料的加工，其加工效率随着材料脆性的增大而逐渐提高。赵波教授[7]在工程陶瓷材料普通磨削研究的基础上，研究了超声、普通珩磨工程陶瓷和高强度钢的材料去除机理，证实了在超声加工作用下，不仅超细粒度金刚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条件下也完全可以进行延性域加工。超声磨削加工可以明显提高硬脆材料的临界延性磨削深度，已成为人们普遍关注的一种加工方式。

另外，复合磨削加工、电火花磨削加工、电化学放电磨削加工、电化学在线修整磨削加工，也是当前工程陶瓷材料磨削加工方式发展的重要趋势。

3 磨削表面损伤及其测试

3.1 磨削裂纹及其测试[8]

通常情况下，工程陶瓷材料由磨削加工所引起的表面微裂纹包括中央或径向裂纹和横向裂纹。这些裂纹是由工程陶瓷材料和磨料磨粒之间相互作用产生的应力所引起的。横向裂纹平行于材料表面，且产生晶粒剥落、材料去除过程；径向裂纹垂直于材料表面和加工方向。

工程陶瓷材料的磨削加工裂纹的测试方法有损伤法和非损伤法等：应用超声波探测氮化硅陶瓷和石灰玻璃压痕试验中亚表面横向裂纹；运用光束反射方法的热波测量技术探测陶瓷磨削中的中位/径向裂纹和横向裂纹；光学显微镜、氩爆光技术、气泡试验、热波映像和X射线聚焦等方法。

3.2 磨削表面残余应力及其测试

工程陶瓷材料磨削加工后，表面层通常会形成一层残余应力，它是裂纹产生和发展的主要影响因素。工程陶瓷材料的断裂强度和韧性对表面应力状态非常敏感，残余压应力能提高其断裂韧性，残余拉应力的作用则刚好相反。

工程陶瓷材料磨削加工表面残余应力的检测方法有机械方法、物理检测法等。机械方法属于间接测量法，是通过测量零件的变形而间接测量残余应力，如挠度法、腐蚀剥层法、裂纹法等。物理检测法，是直接测量法，通过测量表面应力导致的材料物理性能的变化得出材料的残余应力，如X射线衍射法。

4 结束语

高效高精度是工程陶瓷材料磨削加工追求的目标。当前，工程陶瓷材料高效超精密磨削加工研究应集中在以下几个方向：适合工程陶瓷材料新的磨削加工机理；磨削加工过程的计算机控制和在线检测；新型且更适用的磨料、磨具、磨削液的研制开发；高精度高刚性的自动化磨床及磨削加工中心的研制；非稳态磨削与无损磨削。伴随着理论研究的深入和新加工技术的不断涌现，工程陶瓷材料将在更多领域应用、推广。

[1] 李伯民, 赵波.现代磨削技术[M].北京: 机械工业出版社, 2003.6.

[2] 杜建华, 刘永红, 李小朋, 等.工程陶瓷材料磨削加工技术[J].机械工程材料.2005, 29(3): 1-4.

[3] 刘伟香, 邓朝晖.工程陶瓷磨削表面残余应力测试[J].现代制造工程.2005(5): 99-103.

[4] 林滨.工程陶瓷超精密磨削技术研究[D].天津: 天津大学, 1998.

[5] 吴雁.微-纳米复合陶瓷二维超声振动磨削脆-塑转变机理及其表面微观特性研究[D].上海交通大学, 2006.

[6] 张飞虎, 袁哲俊, 等.单晶硅脆性材料塑性域超精密磨削加工的研究, 航空精密制造技术, 2000 (4): 8-11.

[7] 赵波.纵向超声振动珩磨系统及硬脆材料延性切削特征研究[D].上海交通大学, 1999.

[8] 邓朝晖, 张璧, 周志雄.陶瓷磨削的表面/亚表面损伤[J].湖南大学学报(自然科学版), 2002, 29(5): 61-71.