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標題：陶瓷材料磨削加工的技術研究與發展現狀
日期：2007/6/28 源自:中華職工學習網	【字體：】

工程陶瓷具有許多優良的性能，比如較高的硬度和強度，很強的耐腐蝕、耐磨損、耐高溫能力和良好的化學惰性等，因此在航空航天、化工、軍事、機械、電子電器以及精密制造領域的應用日益廣泛。目前各發達國家如德、日、美、英等國非常重視工程陶瓷的開發及應用。80年代以來，各國競相投人大量的資金及人力，在工程陶瓷加工理論和技術、產品開發和應用等方面取得了很大的進展。
　　由于陶瓷材料的高硬度和高脆性，被加工陶瓷元件大多會產生各種類型的表面或亞表面損傷，這會導致陶瓷元件強度的降低，進而限制了大材料去除率的采用。對陶瓷高效磨削加工而言，根本目標就是在保持材料表面完整性和尺寸精度的同時獲得最大的材料去除率。目前陶瓷的加工成本己達到整個陶瓷元件成本的80%～90% ，高加工成本以及難以測控的加工表面損傷層限制了陶瓷元件更廣泛的應用。
　　陶瓷材料廣闊的應用前景和復雜的加工特性，都要求對陶瓷的磨削加工過程進行全面而深入的了解。從上世紀90年代開始，國內外學者進行了大量的研究，在陶瓷磨削的新型方式、陶瓷磨削的材料去除機理、磨削燒傷、磨削表面完整性等的影響因素、不同磨削條件的最佳磨削參數等多方面都取得了積極的研究成果。本文主要就陶瓷磨削的研究現狀及發展狀況進行了歸納和總結。
1 陶瓷材料磨削機理的發展
1) 磨削機理的研究
　　由于砂輪的磨粒尺寸、形狀和磨粒分布的隨機性以及磨削運動規律的復雜性，給磨削機理的研究帶來了很大的困難。在陶瓷磨削方面由于陶瓷的高硬度和高脆性，大多數研究都使用了“壓痕斷裂力學”模型或“切削加工”模型來近似處理。20世紀80年代初，Frank和Lawn首先建立了鈍壓痕器、尖銳壓痕器和接觸滑動三種機理分析研究模型，提出了應力強度因子公式K=aE·P/C2/3，根據脆性斷裂力學條件K≥KC，導出了脆性斷裂的臨界載荷PBC＝Cb·K ，他又根據材料的屈服條件s≥sY，導出了塑性變形模式下臨界載荷PYYC=s3/g3(或PYYC=H3Y/g3)。研究指出：陶瓷材料的去除機理通常為裂紋擴展和脆性斷裂，而當材料硬度降低，壓痕半徑小，摩擦劇烈，并且載荷小時，就會出現塑性變形。1987年，I.Inasaki 進一步提出，陶瓷材料以不同的方式被去除依賴于材料上缺陷的大小和密度，諸如裂紋、裂縫和應力場的大小。海野邦昭也在其專著中提出材料的去除機理受到高溫強度的影響。1991年，東北大學鄭煥文、蔡光起教授對含鉬金屬陶瓷進行磨削實驗，通過測定單位磨削力，磨削能和磨削比，以及使用SEM對陶瓷表面和切削區域進行觀察，探索了金屬陶瓷材料的去除機理。
　　1994年，Keio大學R.Rentsch首先將分子動力學方法用于磨削機理的研究，給出了第一個磨削過程的仿真結果用來闡述磨削中磨屑堆積的現象，并指出了磨削過程仿真與切削過程仿真的異同點。
　　1996年，美國麻省理工學院S.Malkin 對陶瓷磨削機理進行了綜述，認為深人研究磨削機理是陶瓷材料實現低成本高效率磨削的基礎。具體的研究方法概括為壓痕斷裂力學法和加工觀察法。壓痕斷裂力學模型是建立在理想化的裂紋系統和由壓頭所產生的變形的基礎上的。該法將磨粒和工件間的相互作用，用理想的小范圍內的壓痕表示，分析應力、變形及材料去除的關系。而加工觀察法包括磨削力的測定，加工表面形貌與切屑的顯微觀察。兩者均為陶瓷材料的磨削機理的研究提供了重要見解。
　　1999年，德國Kaiserslautern大學的G Warnecke指出，在磨削新型陶瓷和硬金屬等硬脆材料時，磨削過程及結果與材料去除機理緊密相關。材料去除機理是由材料特性、磨料幾何形狀、磨料切入運動以及作用在工件和磨粒上的機械及熱載荷等因素的交互作用決定的。另外，平面磨削過程還受到接觸區動態特性的影響。
　　對普通磨削而言，在磨削機理和磨削工藝方面已經開展了廣泛而深人的研究。在精密及超精密磨削、高速高效磨削特別是針對有特殊加工性能的陶瓷和玻璃等工程材料的磨削機理和磨削工藝方面，國內外開展了一些研究，但還很不全面，尚未形成完整的理論體系，還需要進行更深入的研究，找出其內在的規律。
2) 材料的基本去除機理
　　在陶瓷材料加工過程的研究中，最復雜的便是材料的去除機理。研究表明，在陶瓷磨削加工過程中，材料去除主要基于以下幾種去除機理：晶粒去除、剝落、脆性斷裂、破碎、晶界微破碎等脆性去除方式，粉末化去除和塑性去除方式等。
(1) 材料的脆性去除機理
　　通常情況下，陶瓷磨削過程中，材料脆性去除是通過空隙和裂紋的成形或延展、剝落及碎裂等方式來完成的，具體方式主要有以下幾種：晶粒去除、材料剝落、脆性斷裂、晶界微破碎等。在晶粒去除過程中，材料是以整個晶粒從工件表面上脫落的方式被去除的。1990年，K.Subramanian等指出晶粒去除的同時有材料的剝落去除。剝落去除方式是陶瓷材料磨削中十分重要的去除方式工。1992年，D.W.Richerson提出在材料剝落去除機理中，材料是因磨削過程中所生的橫向和徑向裂紋的擴展而形成局部剝落的。該方式的主要缺陷是裂紋的擴展會大大降低工件的機械強度。1995年、1996年Xu、H.H.K，、Jahamir.S等人相繼指出，對氧化鋁、玻璃陶瓷、氮化硅、碳化硅等陶瓷材料的加工表明，在陶瓷磨削過程中晶界微破碎和材料晶粒狀位錯在材料去除過程中也起了關鍵作用。1998 年，德國Achen生產工程研究所V Sinhoff對杯形金剛石砂輪磨削光學玻璃進行了研究，重點是研究脆性了延性轉變的特性，并將材料中的應力分布，裂紋幾何形狀等損傷看成是磨粒幾何形狀，材料特性和外載荷等因素的函數，建立磨削評價模型，然后用T.G.Bifano能量守恒定律來描述材料的脆性去除向延性去除過程的轉變過程。
(2) 材料的粉末化去除機理
　　在精密磨削過程中，當磨削深度在亞微米級時，碎裂和破碎不會發生，此時主要可能產生材料粉末化現象。材料粉末化去除機理認為，磨削過程中磨粒會引起流體靜態壓應力，該壓應力所包圍的局部剪切應力場引起晶界或晶間微破碎，從而產生材料粉末化現象。陶瓷材料晶粒因粉末化去除被碎裂成更細的晶粒，并形成粉末域。
(3) 材料的塑性去除機理
　　塑性去除方式類似于金屬磨削中的切屑成形過程，其中涉及了滑擦、耕犁和切屑成形，材料是以剪切切屑成形方式去除的。塑性去除機理主要是指陶瓷磨削的延性域磨削。在一定的加工條件下，任何脆性材料均能夠以塑性流動的方式被去除。壓痕斷裂力學模型預瀏了產生橫向裂紋臨界載荷，在低于這一臨界載荷加工條件時，材料將以塑性變形去除為主。目前國內外許多專家學者在研究對陶瓷實現延展性磨削和半延展性磨削技術，以減少工件表面的微裂紋、裂縫，提高工件的使用性能。
　　1989年，T.G Bifano 明確提出加工脆性材料的延性域磨削新工藝，認為采用高剛度高分辨率精密磨床，通過控制進給率，就可使硬脆材料以延性域模式去除材料，并給出了臨界磨削深度表達式：DC=0.15 (E/H)(KC)2，并根據能量守恒是律描述了延性域磨削時，進給率和材料特性的關系閱。1991年，BifanoT、DowTA 、ScattergoodRO采用配有超精密進給控制裝置的專用磨床對陶瓷材料的延性域磨削進行了系統的研究。研究結果表明，對于各種脆性材料在對應的脆性轉變時的磨削進給量與材料性能(如斷裂韌性、硬度、彈性模量)之間存在一定的關系。在磨削深度足夠小的情況下，所有脆性材料將以塑性流動的方式去除而不是以脆性斷裂方式去除的。
　　延性域磨削方式雖能獲得相當好的表面質量，但效率較低且加工成本高。采用高的砂輪磨削速度可以增加塑性流動并可得到高磨除率。1993年，Inoue 等人用120#金剛石砂輪磨削RESN的實驗結果表明，在170m/s 速度下，工件表面崩裂的比例由25m/s的48%降到12%。1994年，KOvch等使用陶瓷結合劑金剛石砂輪在160m/s速度下磨削陶瓷，獲得5100的高磨削比。1996年，Malkin 等進行的研究則進一步說明，高速超高速磨削中的表面破碎減少和塑性流動的顯著增加可能與在較高磨削溫度下所形成的玻璃相有關。
　　實際磨削過程的影響因素很多，如機床剛度、磨削深度、砂輪速度、磨粒尺寸、形狀、幾何角度及溫度等。要實現延展性磨削，其條件相當苛刻。目前大多數采用半延展性磨削，這時加工表面是由微破碎面和塑性變形完成切削的大平面交互混合形成的，能使表面缺陷減少到最低限度，獲得良好的加工表面完整性，提高工件的強度等使用性能。半延展性磨削過程中，陶瓷材料通過磨粒作用處大量的微破碎和塑性變形被去除。當磨粒的切削刃切入工件引起的應力場比缺陷小時，材料將以塑性變形的方式被去除；相反當應力場大于缺陷時，裂紋擴展引起的局部集中的脆性破壞將起主要作用。由于砂輪上磨粒的鈍銳、高度分布之別，各個磨粒的磨削深度不同，使得材料通過脆性破壞和塑性變形的共同作用而被去除，從而實現了半延展性磨削。
　　柯宏發等人提出，在對陶瓷進行半延展性磨削時，由于陶瓷的導熱性能較差，冷卻液的迅速冷卻會加大陶瓷的脆性，導致表面產生微裂紋。如果要獲得良好的加工表面，應不使用冷卻液，以使陶瓷盡可能的以塑性變形的方式去除。
2 陶瓷磨削方式的新發展
　　新型陶瓷材料的研究開發不斷推動和促進陶瓷加工技術的發展，另一方面，這些新型磨削方式的產生也為陶瓷材料的應用提供了強有力的工藝支持。由于陶瓷材料特殊的加工特性，傳統的磨削方式很難達到實際應用的要求，所以人們一直在探索新型的陶瓷磨削方式。近年來興起的超聲振動磨削、ELID(在線電解修整金剛石砂輪)、ECD(電化學在線控制修整)、ECDM(電化學放電加工)、MEEC(機械—電解—電火花磨削)等都是很有代表性的新型復合加工方式。這些磨削方式不僅可以解決難切削材料的加工問題并提高加工效率，而且可以改善加工質量�，F分別簡述如下：
1) 超聲波磨削超聲加工是在加工工具或被加工材料上施加超聲波振動，在工具與工件之間加人液體磨料或糊狀磨料，并以較小的壓力使工具貼壓在工件上。加工時，由于工具與工件之間存在超聲振動，迫使工作液中懸浮的磨粒以很大的速度和加速度不斷撞擊、拋磨被加工表面，加上加工區域內的空化、超壓效應，從而產生材料去除效果。它與其它加工方法結合形成了各種超聲復合加工方式。其中超聲磨削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。
　　華北工學院辛志杰等人進行了超聲振動珩磨磨技術研究，開發出了超聲振動折磨裝置。此項技術在高效率光整加工陶瓷等硬脆材料中具有很大潛力。王軍等人指出超聲振動塑性磨削與普通塑性磨削的材料去除機理也不同，超聲振動塑性磨削除了使材料剪切破壞外，還使材料在高頻振動下發生疲勞破壞，加速材料的去除，故比普通磨削效率更高。實現超聲振動塑性磨削的條件不僅與磨削深度有關，還與振幅和頻率有關。超聲振動磨削不僅可以采用較大的磨削用量，還能減少可觀的砂輪修整時間，故加工效率比普通磨削高一倍以上。天津大學提出超聲波磨削加工能夠綜合超聲波加工和高速磨削加工的特點，加工效率高于超聲波加工十倍左右，可改善工件的表面質量．對陶瓷材料的微孔加工有重要價值。
2) ELID(在線電解修整金剛石砂輪)
　　ELID磨削是一種在加工過程中使用電解修整砂輪和常規機械磨削相結合的新穎磨削方法。在ELID磨削過程中，微弱電解作用使砂輪表面的金屬結合劑微量地不斷電離溶解，而且由此生成的易于破裂的鈍化膜又能使磨屑不致粘附在砂輪上，因此可以確保始終有一定數量的磨粒突出在外。在有選擇的使用結合劑的基礎上，能實現高效磨削和鏡面磨削。該技術首先由日本物理化學研究所的大森整( Hitoshiohmori)等人于1987提出，他們采用微細磨粒鑄鐵纖維基金剛石砂輪，對硅片進行精密加工；采用普通機床在磨削過程中進行砂輪的在線修整，實現了硅片的鏡面磨削。1995年，大森整又對ELID進行了進一步的研究，用幾微米至亞微米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，系統地研究了磨粒尺寸與粗糙度的關系。加工后的表面粗糙度達幾個埃，從而可代替研磨與拋光。
3) MEEC(機械—電解—電火花磨削)
　　電解、電火花復合磨削加工工藝(MEEC)是一種以機械磨削為主的三復合加工方法，它將機械、電學、化學作用綜合運用，實現高速、高精度加工。其工作原理是在砂輪旋轉的過程中，當不導電部分與工件相接觸時磨粒對工件產生機械磨削作用，當導電部分接近工件時，由噴射到砂輪和工件間的磨削液?　

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