工业陶瓷精密磨削加工技术

         随着材料科学技术的进步，金属间化合物、工业陶瓷、石英、光学玻璃、半导体等硬脆材料以及各种增韧、增强的新型复合材料等也已成为航空航天、国防科技、生物工程、精密工程、军事工程和计算机工程等领域中应用极为活跃的先进材料。由于这些材料的超精密表面成形十分困难，而且传统的加工方法已不能满足现代科技的要求，因此有关其精密、超精密磨削加工技术和材料的表面成形技术便成为当今世界各国研究的热点。         工业陶瓷的结构与特性

工业陶瓷是典型的硬脆材料，与日常的陶瓷制件相对照，工业陶瓷一般定义为由氧、碳、硅、硼等材料烧结而成的材料。
 
        1 工业陶瓷的结构——原子键

工业陶瓷的特性主要是由它的原子存在状态、原子的构造机理以及它的晶体结构所决定的。相对于具有晶体高对称度结构的金属来说，陶瓷的晶体结构属于低对称结构，晶体是由共价键和离子键或两者结合的方式形成的。离子键比例大的材料，其强度对稳定的影响十分敏感。离子键比例小或以共价键结合形成的工业陶瓷，其强度几乎不受稳定的影响。因此以共价键结合形成的工业陶瓷不仅具有低的热膨胀系数和相当高的热导率，而且还具有高硬度、高强度和高的熔化温度等特征。

        2 工业陶瓷的力学和热特性

        工业陶瓷在室温下不具有塑性。其主要原因是由于工业陶瓷的晶体结构具有很强的方向性，高的晶格能使陶瓷晶体中的空穴和位错迁移十分困难，从而导致工业陶瓷具有高硬度和无塑性流动现象。此外，在陶瓷的晶体结构中，还存在着较大的原子间距和较小的电子密度，这种较小的电子密度使工业陶瓷的表面能较低(大部分聚晶陶瓷的表面能大约为10-50J/m2)。通常具有较大原子间距、低表面能和高弹性模量的材料均表现出一种较高的脆性。因此可以说先进高技术工业陶瓷的脆性是它的本质特征之一。

        材料的延性和脆性在很多情况下是通过材料的断裂韧性来评价的(材料的断裂韧性与材料的弹性模量和材料的表面能有密切关系)。就机械加工而言，材料的硬度和脆性越高，在加工过程中就会导致刀具的过大磨损而使加工越困难。但是，就脆性材料而言，先进高技术陶瓷的低的断裂韧性却对加工是有利的。材料的断裂韧性低，意味着如果能够合理有效地利用材料微观脆性破损的特征，那么，对硬脆材料的去除过程只需要较小的能量便可完成。

        工业陶瓷的另一个重要的力学性能是材料的导热率。导热率的高低影响着材料的切削过程及刀具的磨损等问题，它是材料切除过程中的一个重要参数。一般来说，作为工件的工业陶瓷的导热率越低，加工中刀具的磨损将会越快，材料的可加工性就越差。

        工业陶瓷磨削机理

        磨削是零件获得高尺寸精度、低表面粗糙度的主要方法。先进工业陶瓷的磨削机理研究方面：80 年代初，Frank 和Lawn 首先建立了钝压痕器、尖锐压痕器和接触滑动三种机理分析研究模型，提出了应力强度因子公式K=αE ·P/C3/2；根据脆性断裂力学条件K≥KC，导出了脆性断裂的临界载荷PBC=CB ·K；他又根据材料的屈服条件σ≥σr，导出了塑性变形模式下临界载荷Prc 　=σ3r/γ3。其研究指出：工业陶瓷的去除机理通常为裂纹扩展和脆性断裂；而当材料硬度降低、压痕半径小、摩擦剧烈、并且载荷小时，就会出现塑性变形。

        1989年，T.G.Bifano 在ASME 文献上明确提出加工脆性材料的延性域磨削新工艺，认为采用高刚度、高分辨率精密磨床，通过控制进给率，就可使硬脆材料以延性域模式去除材料，并给出了临界磨削深度表达式：Dc=0.15 ·(E/H)·(Kc/H)2，根据能量守恒定律描述了延性域。磨削时进给率和材料特性的关系。

        1991 年，东北大学郑焕文和蔡光起两位教授对含钼金属陶瓷进行磨削实验，通过测定单位磨削力、磨削能和磨削比，以及SEM对表面和切屑的观察，探索了金属工业陶瓷的去除机理。

        1994年，Keio 大学R.Rentsh 将分子动力学方法首先用于磨削机理的研究，给出了第一个磨削过程的仿真结果，叙述了磨削中磨屑堆积的现象和切削过程仿真的区别。

        1996年，美国麻省大学S.Malkin对陶瓷磨削机理进行了综述，认为实现工业陶瓷低成本高效率磨削，需要深入研究磨削机理，研究方法概括为压痕断裂力学法和加工观察法。压痕法将磨粒和工件相互作用，用理想的小范围内压痕表示，分析应力、变形及材料去除的关系；而加工法包括测定磨削力、观察工件表面与切屑，进一步研究材料的去除机理，两者均为磨削机理的研究提供了重要见解。

        1998 年，德国Achen 生产工程研究所V.Sinheff 对杯形金刚石砂轮磨削光学玻璃进行了机理的研究，重点是研究脆性-延性转变的特性，并将材料中的应力分布、裂纹几何形状等损伤看成是磨粒几何形状、材料特性和外载荷等因素的函数，建立磨削评价模型，然后用T.G.Bifano 能量守恒定律来描述材料的脆性去除、延性去除的转变过程。

        2002 年，天津大学林滨将宏观断裂力学及微观断裂物理相结合，根据Stroth 的位错产生微裂纹机制，对磨削过程中微裂纹的形成采用塞积模型来描述，并从能量平衡的角度，讨论微裂纹的稳定性及临界裂纹尺寸。

         精密磨削加工方法

        先进陶瓷磨削工艺及磨削加工性的评价：现今各国学者对各种先进工业陶瓷如Al2O3、Si3N4、ZrO2、Sialon、SiC、Mn-Zn 铁氧体、单晶硅、光学玻璃和金属陶瓷等的磨削力、磨削热、表面质量、砂轮磨损及修整进行了系统的研究，并研制成多种具有复杂几何形状的高科技产品，已为许多工业部门所采用，达到较高的水平。在这一领域中下述几项成果具有较大的影响，在线电解修整金刚石砂轮(ELID)的精密磨削技术。(1)其中，1995 年，HitoshiOhmori 用几微米至亚微米金刚石磨粒的铸铁结合剂砂轮对单晶硅、光学玻璃和陶瓷进行ELID 磨削，系统地研究了磨粒尺寸与粗糙度的关系，用SEM、AFT 分析研究表面廓形，借助X 射线、角度抛光和阶梯腐蚀，研究次表面损伤，获得了高精度优异表面、低次表面损伤的加工，表面粗糙度达几个埃，从而可代替研磨与抛光。(2)低表面粗糙度磨削：1990年，日本东京大学J.Ikeno 采用电泳沉积方法研制成功磨粒均布的10～20 纳米磨粒的磨块，采用该磨块磨削单晶硅片，加工表面无任何痕迹，Ra<0.01μm。1994年，J.Ikeno 根据上述磨块

        制造出具有适当结合强度的砂轮，由于砂轮的自锐和均衡的磨削负荷，加工硬脆材料时可得到Rmax<0.01μm 的超光滑表面。1998年，日本Toyo 大学Y.Tani 采用电泳沉积工艺亦制成 超细粒度的砂轮，对硅片进行切入磨削，获得Rmax<0.023μm 的无损伤表面。

        先进陶瓷研磨抛光新工艺。

        (1)弹性发射加工技术(E.E.M)；森勇藏等利用极微小磨粒，以接近水平的方向和加工表面碰撞，以原子级加工单位去除材料。由于不与工件表面接触，因此可得到无损伤表面。当使用聚氨基甲酸脂球为工具时，采用粉末加工单晶硅，表面粗糙度达5埃。

        (2)液体浮动研磨与抛光技术：渡边纯二等采用的抛光盘沿圆周均布多个斜面槽，通过圆盘转动，由液体楔形成液体动压使工件悬浮，处于浮动间隙中的研磨抛光粉对工件进行抛光，抛光硬脆材料时可得到不平度0.3/76mm，表面粗糙度1nm。

        (3)界面反应抛光技术(机械化学固相反应抛光、水合反应抛光)。

        (4)磁悬浮抛光技术：利用磁力悬浮现象，在磁流体中加入非磁性磨料，当工件相对磨粒进行旋转运动或相对运动时，就实现了工件表面的抛光。

        在振动精磨加工方面：东华大学机械学院(上海)的毛志敏、李蓓智用固结磨粒低频振动(频率f 为0.5～20Hz、振幅为0.5～3mm)压力进给的精整加工，研究了切削角(合成切削速度方向与工件速度方向的夹角)与工件加工精度的关系，给出了最大切削角θ的计算公式，同时还研究了适宜的经济加工条件及有关参数，并验证了经过磨削加工后的陶瓷工件，再经过超精加工可以进一步降低其表面粗糙度，一般可降低2～4 个等级。淮海工学院王纯和杨建明研究了适于各种异形截面孔腔、细小沟槽及复杂零件表面的柔性磨体振动研磨的方法。在研磨中，对孔腔中的柔性磨体保持一定的压力，然后对工件施加激振，使得孔壁与柔性磨体之间产生高速、高频振动。由柔性磨粒的粘弹性产生形变恢复的滞后性，使工件与柔性磨体产生划擦，达到研磨加工的目的。加工形状误差仅有0.5～1.2μm，粗糙度可达0.012μm。

        工业陶瓷超声磨削方法

        工业陶瓷超声磨削：

东北大学庞楠研究了新型工业陶瓷的超声波磨削复合加工中磨削用量、磨削力和工件表面粗糙度的关系以及连续磨削时间、磨削方式、磨削用量对加工效率的影响，探索了超声波磨削加工机理，进行了砂轮堵塞及自锐性分析以及砂轮修整方法及最佳砂轮修整程度的分析，提出超声振动磨削的最佳工艺参数，为工业陶瓷的超精密塑性超声波磨削加工研究奠定了基础。超声珩磨：上海交通大学研究了工业陶瓷发动机缸套(图3)旋转超声珩磨技术，探讨了超声、普通珩磨工业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业陶瓷，粗粒度油石在一定条件下也完全可以进行延性域加工等。

        工业陶瓷超声研磨抛光：

        在工业陶瓷和难加工复合材料超声加工方面，日本东京大学中川威雄和日本UNNO 海野邦昭分别进行了复合材料振动抛光和工业陶瓷超声磨削的研究。在国内，清华大学王先逵等进行了45 号钢制件的超声砂带研抛的实验研究。在型腔模具等超声研磨抛光方面，国内外已产生多种类型超声研磨抛光机，近来推出了新型的超声研磨抛光机。同时，超声研抛技术的应用及自动化被广泛研究。中国科学院武汉物理与数学研究所的董世玮等研制了人工牙功率超声抛光仪，并试验证明在抛光人工牙时频率在40kHz、位移幅度一般在5～60μm 内，超声抛光比砂轮机械抛光要快得多，工效提高几十倍，用竹质作抛光头，配有金刚石软膏，牙齿的光洁度可达10级以上。吉林大学詹建明、赵继等研究了一种面向自由曲面精加工的机器人超声弹性研抛系统，并在实验中得到了Rz=0.8μm 的二维曲面。证实了超声弹性斜角研
磨加工技术的先进性和机器人超声弹性研磨系统的技术合理性。

        工业陶瓷发展展望

        工业陶瓷在工业各领域的应用越来越多，工业陶瓷的机械加工方法的研究也越来越显得重要。今后在磨削理论日益完善以及先进磨削加工设备的不断研制前提下，磨削理论和磨削方法的研究将向更深一步发展。
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