工程陶瓷材料磨削加工技术研究

邵水军 赵 波

（河南理工大学机械与动力工程学院，河南焦作454000）

0 引言

工程陶瓷具有硬度高、耐高温、耐磨损、耐腐蚀以及质量轻、导热性能好等优点，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、汽车等领域得到了广泛的应用[1,2]。但是，工程陶瓷也存在着某些缺陷，主要表现为它的脆性大(易产生裂纹)、均匀性差，韧性、强度不高，可靠性低，可加工性差等。而工程陶瓷材料的应用需要高表面完整性和尺寸精度，而且其对加工表面层特性的要求也非常苛刻。工程陶瓷材料加工占材料的总成本的50～70%，高加工成本以及难以控测的加工表面损伤层，极大地限制了其广泛应用[2,3]。当前，传统的加工方法已经不能满足现代科技的需要，有关工程陶瓷精密超精密磨削加工技术和材料表面成形技术已成为当今世界各国研究的热点[4]。

1 工程陶瓷的特性[5-7]

陶瓷材料是典型的硬脆材料，是指由金属和非金属元素的氧化物、碳化物、氨化物、硼化物、硫化物、硅化物及复合化合物所构成的材料。工程陶瓷主要指可用于工程方面的具有高强度、高耐磨性、耐高温、由氧、碳、硅、硼等材料烧结而成的陶瓷材料。

陶瓷材料的性能取决于晶体点阵结构。陶瓷材料的原子间结合力主要为离子键、共价键或离子共价混合键。不同陶瓷材料的共价键和离子键所占的比例不同，性能也有所差异。共价键的主要特点是它的方向性，使晶体拥有较高的抗晶格畸变和阻碍位错运动发展的能力，使陶瓷呈现出较高的硬度和弹性模量；离子键晶体的方向性不明显，主要表现为静电作用力，它是决定离子键陶瓷结构的主要因素。主要由离子键构成的陶瓷材料在静电作用下呈现出较高的强度，且强度受温度影响较大；而主要由共价键构成的陶瓷材料则受温度的影响不大，所以共价键比例大的陶瓷热膨胀系数低，导热率高，更适合做高温结构材料。陶瓷材料结构决定了其具有其他材料所不具备的特殊性能：耐高温、高硬度、耐磨损、耐腐蚀、低膨胀系数、高热导率和质量轻等。

2 磨削加工机理

磨削加工是目前陶瓷材料已有加工方法中应用最多的一种，特别适用于加工平面及柱形工件，所选用的砂轮一般是金刚石砂轮。对金刚石砂轮磨削工程陶瓷的磨削机理有不同的解释，有学者采用瞬间微观变形和破碎累计[8]、压痕断裂力学模型近似[9,10]、切削模型近似[11]等理论对工程陶瓷材料磨削机理进行解释。

对工程陶瓷材料磨削机理的解释还有很多，但有一个共同点，即塑性变形和脆性断裂是形成材料去除的主要原因。近年随着科学技术的进步，加工机理研究已经深入到微观乃至纳观领域[12]。2002年，天津大学林滨[13]以陶瓷材料断裂力学、线性断裂力学和微观断裂物理学为理论基础，采用有限元分析方法，系统分析了磨削加工过程中微裂纹的产生机理及其影响因素，建立了裂纹分布模型，确定了材料脆性去除和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机理进行了研究：美国俄亥俄州立大学的Bharat Bhushan教授用AFM对单晶硅的（100）面在室温下进行微切削实验[14]；德国布莱梅大学的E. Brinksmeier教授用AFM对金刚石车削单晶硅的加工表面进行成像研究[15]；日本宇都宫大学的Yoshio Ichida用原子力显微镜(AtomicForceMicroscopy,AFM)和扫描电子显微镜 (Scanning Electron Microscopy，SEM)对单点金刚石车削获得的硅表面及切屑检测。还有，美国和日本在分子动力学模拟超精密加工机理的研究方面的工作处于世界领先地位[16,17]。

3 磨削加工方式

近年来高效磨削加工、ELID磨削加工、塑性域磨削加工、超声磨削加工等磨削加工方式的出现，解决了工程陶瓷材料磨削加工中的诸多难题，并为其广泛应用提供了强有力的工艺支持。

3.1 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[18]，国内外学者相继提出并开发了高速磨削、缓进给磨削、恒压力磨削、高速深磨加工及高速往复磨削等高效磨削工艺，在一定程度上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则真正使磨削加工实现了高效优质的结合，被誉为磨削技术发展的高峰。高速深磨加工复合了高速磨削、缓进给磨削的特点，采用超硬磨料砂轮和可靠实现高速运动的高精度、高自动化、高柔性的制造设备，以大的磨削量实现材料的局部微脆性裂纹与塑性断裂的复合方式去除，实现提高材料磨除率、加工精度和加工质量[2]。

研究中使用2016年5月7日～8日、10日～11日共4个时相的高分四号卫星全色多光谱卫星图像，见图2，数据格式为Geotiff，均为经过系统辐射校正的1A级数据产品.该时间段内卫星覆盖区域内的积雪为天山山脉等高山地区积雪，图像上云层覆盖范围普遍较大，整体云盖量占整幅图像范围的47%～57%之间.

3.2 ELID磨削加工

1990年，日本理化院Hitoshi Ohmori成功的开发了ELID新工艺，采用微细磨粒铸铁纤维基金刚石砂轮，采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[19]。后来，HitoshiOhmori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，光学玻璃和陶瓷进行ELID磨削，研究了磨粒尺寸与粗糙度的关系，用SEM、AFM分析研究表面廓形获得了高精度、低表面粗糙度的优质表面，可代替研磨和抛光。哈尔滨工业大学[20]采用ELID磨削技术对硬质合金、陶瓷、光学玻璃等脆性材料实现了镜面磨削，磨削表面质量与在相同机床条件下采用普通砂轮磨削相比大幅度提高，部分工件的表面粗糙度尺值己达到纳米级。

3.3 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。材料脆性去除是通过裂纹的扩展和交叉来完成的；而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。对于工程陶瓷等脆性材料，采用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，在超过强度极限的切削力作用下，材料的大小粒子发生脆性断裂，将严重影响被加工表面完整性和加工质量。由加工实践可知，在加工工程陶瓷材料时，可采用极小的切深来实现塑性去除，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，显著降低次表面（表层）破坏[21]。

3.4 超声磨削加工

超声磨削加工是一种有机的复合加工过程，即在磨削加工的同时，对工具或工件施加超声频振动，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和加速度频繁地撞击被加工表面，从而达到去除材料的目的。超声复合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提高。1986～1988年清华大学王先逵教授研究了硬脆材料的超声砂带磨削技术，获得了高效超镜面加工效果[22]。1991年赵波教授[4]在工程陶瓷普通磨削研究的基础上，于1996～1998年研究了超声、普通珩磨工程陶瓷和高强度钢的材料去除机理，建立了适应于高强度钢和硬脆材料的高效去除率模型，同时研究了超声珩磨的表面微观特性，通过电镜观察了80#粗粒度金刚石油石珩磨氧化锆和氧化铝表面从延性到脆性的过渡现象，证实了在超声加工下，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等。超声振动加工可以明显提高脆性材料的临界延性磨削深度，要求同样表面质量时，该方法可显著提高生产率[23]。当前，超声波振动磨削在加工硬脆性难加工材料的应用日趋广泛，已成为人们普遍关注的一种加工方法。

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

4 磨削表面损伤及其测试

4.1 磨削裂纹及其测试[24]

通常工程陶瓷材料由磨削加工所引起的表面微裂纹包括中央/径向裂纹(纵裂纹)和横向裂纹。这些裂纹是由陶瓷材料和磨料磨粒之间相互作用产生的应力引起的。横向裂纹平行于材料表面，同时产生晶粒剥落和材料去除过程。径向裂纹则垂直于材料表面和加工方向。

人们已经探索了一些非损伤法和损伤法来探测工程陶瓷在磨削过程中所产生的裂纹：应用超声波方法可以探测出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可以探测出陶瓷磨削中的中位/径向裂纹和横向裂纹；此外还有光学显微镜、热波映像、氩爆光技术、气泡试验和X射线聚焦等方法。

4.2 磨削表面残余应力及其测试

工程陶瓷磨削加工后，表面通常会形成一层残余应力，它是材料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异常敏感，残余压应力将会提高其断裂韧性，残余拉应力的作用则正好相反。

目前，检测工程陶瓷磨削加工表面的残余应力的方法有很多，一般可以分为机械方法和物理检测法。机械方法属于间接测量法，即通过测量零件的变形而间接测量残余应力，如腐蚀剥层法、挠度法、裂纹法等。物理检测法，即直接测量法，通过测量表面应力导致的材料物理性能的变化来求出材料的残余应力，如X射线衍射法[25]。

5 结束语

高效率和高精度是工程陶瓷材料磨削加工追求的两大目标。目前，国内在工程陶瓷材料高效、精密、超精密磨削加工方面有待加强，在今后的研究中需要集中在以下几个方向：研究适合工程陶瓷材料的新的磨削加工理论和技术；磨削过程的计算机控制和在线检测、诊断，以提高材料的加工精度和表面质量；新型且更适用的磨料、磨具、磨削液的研制开发；研制高精度高刚性的自动化磨床及磨削加工中心。当前，非稳态磨削与无损磨削等领域的研究已引起人们的关注[26]。伴随着理论研究的深入和新加工技术的不断出现，工程陶瓷磨削加工技术将会向更深一步发展，也将在更多领域应用、推广。

1李伯民,赵波.现代磨削技术.北京:机械工业出版社,2003

2杜建华,刘永红,李小朋等.工程陶瓷材料磨削加工技术.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.现代制造工程,2005(5):99～103

4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.上海交通大学,1999,6

5[澳大利亚]M.V.斯温主编.郭景坤等译.陶瓷的结构与性能.北京:科学出版社,1998

6金志浩,高积强,乔冠军.工程陶瓷材料.西安:西安交通大学出版社,2000

7张昌娟.硬脆材料高效复合研抛机理研究.河南理工大学, 2005,6

8李刚,林彬.优质陶瓷零件的超精密加工技术研究.科学通报, 1991,36(15):1188～1190

9龚江宏.陶瓷材料断裂力学.北京:清华大学出版社,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张璧,孟鉴.工程陶瓷磨削加工损伤的探讨.纳米技术与精密工程,2003,1:48～56

12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.上海交通大学机械工程学院,2006

13林滨.工程陶瓷超精密磨削技术研究.天津:天津大学机械工程学院,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许小静.浅析工程陶瓷的高效磨削技术.山东陶瓷,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

21向道辉.纳米氧化锆陶瓷的超声磨削机理研究.河南理工大学,2004,6

22王先逵等.超声砂带精密磨削技术.电加工,1988,.4

23向道辉等.纳米氧化锆陶瓷的超声振动延性域磨削特性研究.工具技术,2009,43(8):30～34

24邓朝晖,张璧,周志雄.陶瓷磨削的表面/亚表面损伤.湖南大学学报(自然科学版),2002,29(5):61～71

25孔令志,赵波.工程陶瓷磨削表面/亚表面损伤的产生及其控制.机械制造与研究,2010,39(1):63～66

26刘超,杨俊飞等.工程陶瓷磨削加工工艺研究现状及进展.新技术新工艺,2009(7):6～103