工業(yè)陶瓷精密磨削加工技術(shù)

         隨著材料科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，金屬間化合物、工業(yè)陶瓷、石英、光學(xué)玻璃、半導(dǎo)體等硬脆材料以及各種增韌、增強(qiáng)的新型復(fù)合材料等也已成為航空航天、國防科技、生物工程、精密工程、軍事工程和計(jì)算機(jī)工程等領(lǐng)域中應(yīng)用極為活躍的先進(jìn)材料。由于這些材料的超精密表面成形十分困難，而且傳統(tǒng)的加工方法已不能滿足現(xiàn)代科技的要求，因此有關(guān)其精密、超精密磨削加工技術(shù)和材料的表面成形技術(shù)便成為當(dāng)今世界各國研究的熱點(diǎn)。         工業(yè)陶瓷的結(jié)構(gòu)與特性

工業(yè)陶瓷是典型的硬脆材料，與日常的陶瓷制件相對(duì)照，工業(yè)陶瓷一般定義為由氧、碳、硅、硼等材料燒結(jié)而成的材料。
 
        1 工業(yè)陶瓷的結(jié)構(gòu)——原子鍵

工業(yè)陶瓷的特性主要是由它的原子存在狀態(tài)、原子的構(gòu)造機(jī)理以及它的晶體結(jié)構(gòu)所決定的。相對(duì)于具有晶體高對(duì)稱度結(jié)構(gòu)的金屬來說，陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)屬于低對(duì)稱結(jié)構(gòu)，晶體是由共價(jià)鍵和離子鍵或兩者結(jié)合的方式形成的。離子鍵比例大的材料，其強(qiáng)度對(duì)穩(wěn)定的影響十分敏感。離子鍵比例小或以共價(jià)鍵結(jié)合形成的工業(yè)陶瓷，其強(qiáng)度幾乎不受穩(wěn)定的影響。因此以共價(jià)鍵結(jié)合形成的工業(yè)陶瓷不僅具有低的熱膨脹系數(shù)和相當(dāng)高的熱導(dǎo)率，而且還具有高硬度、高強(qiáng)度和高的熔化溫度等特征。

        2 工業(yè)陶瓷的力學(xué)和熱特性

        工業(yè)陶瓷在室溫下不具有塑性。其主要原因是由于工業(yè)陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的方向性，高的晶格能使陶瓷晶體中的空穴和位錯(cuò)遷移十分困難，從而導(dǎo)致工業(yè)陶瓷具有高硬度和無塑性流動(dòng)現(xiàn)象。此外，在陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)中，還存在著較大的原子間距和較小的電子密度，這種較小的電子密度使工業(yè)陶瓷的表面能較低(大部分聚晶陶瓷的表面能大約為10-50J/m2)。通常具有較大原子間距、低表面能和高彈性模量的材料均表現(xiàn)出一種較高的脆性。因此可以說先進(jìn)高技術(shù)工業(yè)陶瓷的脆性是它的本質(zhì)特征之一。

        材料的延性和脆性在很多情況下是通過材料的斷裂韌性來評(píng)價(jià)的(材料的斷裂韌性與材料的彈性模量和材料的表面能有密切關(guān)系)。就機(jī)械加工而言，材料的硬度和脆性越高，在加工過程中就會(huì)導(dǎo)致刀具的過大磨損而使加工越困難。但是，就脆性材料而言，先進(jìn)高技術(shù)陶瓷的低的斷裂韌性卻對(duì)加工是有利的。材料的斷裂韌性低，意味著如果能夠合理有效地利用材料微觀脆性破損的特征，那么，對(duì)硬脆材料的去除過程只需要較小的能量便可完成。

        工業(yè)陶瓷的另一個(gè)重要的力學(xué)性能是材料的導(dǎo)熱率。導(dǎo)熱率的高低影響著材料的切削過程及刀具的磨損等問題，它是材料切除過程中的一個(gè)重要參數(shù)。一般來說，作為工件的工業(yè)陶瓷的導(dǎo)熱率越低，加工中刀具的磨損將會(huì)越快，材料的可加工性就越差。

        工業(yè)陶瓷磨削機(jī)理

        磨削是零件獲得高尺寸精度、低表面粗糙度的主要方法。先進(jìn)工業(yè)陶瓷的磨削機(jī)理研究方面：80 年代初，F(xiàn)rank 和Lawn 首先建立了鈍壓痕器、尖銳壓痕器和接觸滑動(dòng)三種機(jī)理分析研究模型，提出了應(yīng)力強(qiáng)度因子公式K=αE ·P/C3/2；根據(jù)脆性斷裂力學(xué)條件K≥KC，導(dǎo)出了脆性斷裂的臨界載荷PBC=CB ·K；他又根據(jù)材料的屈服條件σ≥σr，導(dǎo)出了塑性變形模式下臨界載荷Prc 　=σ3r/γ3。其研究指出：工業(yè)陶瓷的去除機(jī)理通常為裂紋擴(kuò)展和脆性斷裂；而當(dāng)材料硬度降低、壓痕半徑小、摩擦劇烈、并且載荷小時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)塑性變形。

        1989年，T.G.Bifano 在ASME 文獻(xiàn)上明確提出加工脆性材料的延性域磨削新工藝，認(rèn)為采用高剛度、高分辨率精密磨床，通過控制進(jìn)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(dá)式：Dc=0.15 ·(E/H)·(Kc/H)2，根據(jù)能量守恒定律描述了延性域。磨削時(shí)進(jìn)給率和材料特性的關(guān)系。

        1991 年，東北大學(xué)鄭煥文和蔡光起兩位教授對(duì)含鉬金屬陶瓷進(jìn)行磨削實(shí)驗(yàn)，通過測(cè)定單位磨削力、磨削能和磨削比，以及SEM對(duì)表面和切屑的觀察，探索了金屬工業(yè)陶瓷的去除機(jī)理。

        1994年，Keio 大學(xué)R.Rentsh 將分子動(dòng)力學(xué)方法首先用于磨削機(jī)理的研究，給出了第一個(gè)磨削過程的仿真結(jié)果，敘述了磨削中磨屑堆積的現(xiàn)象和切削過程仿真的區(qū)別。

        1996年，美國麻省大學(xué)S.Malkin對(duì)陶瓷磨削機(jī)理進(jìn)行了綜述，認(rèn)為實(shí)現(xiàn)工業(yè)陶瓷低成本高效率磨削，需要深入研究磨削機(jī)理，研究方法概括為壓痕斷裂力學(xué)法和加工觀察法。壓痕法將磨粒和工件相互作用，用理想的小范圍內(nèi)壓痕表示，分析應(yīng)力、變形及材料去除的關(guān)系；而加工法包括測(cè)定磨削力、觀察工件表面與切屑，進(jìn)一步研究材料的去除機(jī)理，兩者均為磨削機(jī)理的研究提供了重要見解。

        1998 年，德國Achen 生產(chǎn)工程研究所V.Sinheff 對(duì)杯形金剛石砂輪磨削光學(xué)玻璃進(jìn)行了機(jī)理的研究，重點(diǎn)是研究脆性-延性轉(zhuǎn)變的特性，并將材料中的應(yīng)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(shù)，建立磨削評(píng)價(jià)模型，然后用T.G.Bifano 能量守恒定律來描述材料的脆性去除、延性去除的轉(zhuǎn)變過程。

        2002 年，天津大學(xué)林濱將宏觀斷裂力學(xué)及微觀斷裂物理相結(jié)合，根據(jù)Stroth 的位錯(cuò)產(chǎn)生微裂紋機(jī)制，對(duì)磨削過程中微裂紋的形成采用塞積模型來描述，并從能量平衡的角度，討論微裂紋的穩(wěn)定性及臨界裂紋尺寸。

         精密磨削加工方法

        先進(jìn)陶瓷磨削工藝及磨削加工性的評(píng)價(jià)：現(xiàn)今各國學(xué)者對(duì)各種先進(jìn)工業(yè)陶瓷如Al2O3、Si3N4、ZrO2、Sialon、SiC、Mn-Zn 鐵氧體、單晶硅、光學(xué)玻璃和金屬陶瓷等的磨削力、磨削熱、表面質(zhì)量、砂輪磨損及修整進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，并研制成多種具有復(fù)雜幾何形狀的高科技產(chǎn)品，已為許多工業(yè)部門所采用，達(dá)到較高的水平。在這一領(lǐng)域中下述幾項(xiàng)成果具有較大的影響，在線電解修整金剛石砂輪(ELID)的精密磨削技術(shù)。(1)其中，1995 年，HitoshiOhmori 用幾微米至亞微米金剛石磨粒的鑄鐵結(jié)合劑砂輪對(duì)單晶硅、光學(xué)玻璃和陶瓷進(jìn)行ELID 磨削，系統(tǒng)地研究了磨粒尺寸與粗糙度的關(guān)系，用SEM、AFT 分析研究表面廓形，借助X 射線、角度拋光和階梯腐蝕，研究次表面損傷，獲得了高精度優(yōu)異表面、低次表面損傷的加工，表面粗糙度達(dá)幾個(gè)埃，從而可代替研磨與拋光。(2)低表面粗糙度磨削：1990年，日本東京大學(xué)J.Ikeno 采用電泳沉積方法研制成功磨粒均布的10～20 納米磨粒的磨塊，采用該磨塊磨削單晶硅片，加工表面無任何痕跡，Ra<0.01μm。1994年，J.Ikeno 根據(jù)上述磨塊

        制造出具有適當(dāng)結(jié)合強(qiáng)度的砂輪，由于砂輪的自銳和均衡的磨削負(fù)荷，加工硬脆材料時(shí)可得到Rmax<0.01μm 的超光滑表面。1998年，日本Toyo 大學(xué)Y.Tani 采用電泳沉積工藝亦制成 超細(xì)粒度的砂輪，對(duì)硅片進(jìn)行切入磨削，獲得Rmax<0.023μm 的無損傷表面。

        先進(jìn)陶瓷研磨拋光新工藝。

        (1)彈性發(fā)射加工技術(shù)(E.E.M)；森勇藏等利用極微小磨粒，以接近水平的方向和加工表面碰撞，以原子級(jí)加工單位去除材料。由于不與工件表面接觸，因此可得到無損傷表面。當(dāng)使用聚氨基甲酸脂球?yàn)楣ぞ邥r(shí)，采用粉末加工單晶硅，表面粗糙度達(dá)5埃。

        (2)液體浮動(dòng)研磨與拋光技術(shù)：渡邊純二等采用的拋光盤沿圓周均布多個(gè)斜面槽，通過圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)，由液體楔形成液體動(dòng)壓使工件懸浮，處于浮動(dòng)間隙中的研磨拋光粉對(duì)工件進(jìn)行拋光，拋光硬脆材料時(shí)可得到不平度0.3/76mm，表面粗糙度1nm。

        (3)界面反應(yīng)拋光技術(shù)(機(jī)械化學(xué)固相反應(yīng)拋光、水合反應(yīng)拋光)。

        (4)磁懸浮拋光技術(shù)：利用磁力懸浮現(xiàn)象，在磁流體中加入非磁性磨料，當(dāng)工件相對(duì)磨粒進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，就實(shí)現(xiàn)了工件表面的拋光。

        在振動(dòng)精磨加工方面：東華大學(xué)機(jī)械學(xué)院(上海)的毛志敏、李蓓智用固結(jié)磨粒低頻振動(dòng)(頻率f 為0.5～20Hz、振幅為0.5～3mm)壓力進(jìn)給的精整加工，研究了切削角(合成切削速度方向與工件速度方向的夾角)與工件加工精度的關(guān)系，給出了最大切削角θ的計(jì)算公式，同時(shí)還研究了適宜的經(jīng)濟(jì)加工條件及有關(guān)參數(shù)，并驗(yàn)證了經(jīng)過磨削加工后的陶瓷工件，再經(jīng)過超精加工可以進(jìn)一步降低其表面粗糙度，一般可降低2～4 個(gè)等級(jí)。淮海工學(xué)院王純和楊建明研究了適于各種異形截面孔腔、細(xì)小溝槽及復(fù)雜零件表面的柔性磨體振動(dòng)研磨的方法。在研磨中，對(duì)孔腔中的柔性磨體保持一定的壓力，然后對(duì)工件施加激振，使得孔壁與柔性磨體之間產(chǎn)生高速、高頻振動(dòng)。由柔性磨粒的粘彈性產(chǎn)生形變恢復(fù)的滯后性，使工件與柔性磨體產(chǎn)生劃擦，達(dá)到研磨加工的目的。加工形狀誤差僅有0.5～1.2μm，粗糙度可達(dá)0.012μm。

        工業(yè)陶瓷超聲磨削方法

        工業(yè)陶瓷超聲磨削：

東北大學(xué)龐楠研究了新型工業(yè)陶瓷的超聲波磨削復(fù)合加工中磨削用量、磨削力和工件表面粗糙度的關(guān)系以及連續(xù)磨削時(shí)間、磨削方式、磨削用量對(duì)加工效率的影響，探索了超聲波磨削加工機(jī)理，進(jìn)行了砂輪堵塞及自銳性分析以及砂輪修整方法及最佳砂輪修整程度的分析，提出超聲振動(dòng)磨削的最佳工藝參數(shù)，為工業(yè)陶瓷的超精密塑性超聲波磨削加工研究奠定了基礎(chǔ)。超聲珩磨：上海交通大學(xué)研究了工業(yè)陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)缸套(圖3)旋轉(zhuǎn)超聲珩磨技術(shù)，探討了超聲、普通珩磨工業(yè)陶瓷和高強(qiáng)度鋼的材料去除機(jī)理，建立了適應(yīng)于高強(qiáng)度鋼和硬脆材料的高效去除模型，同時(shí)研究了超聲珩磨的表面微觀特性，通過電鏡觀察了80#粗粒度金剛石油石珩磨氧化鋯和氧化鋁表面從延性到脆性的過渡現(xiàn)象，證實(shí)了在超聲加工下，不僅超細(xì)粒度金剛石珩磨油石可以延性加工工業(yè)陶瓷，粗粒度油石在一定條件下也完全可以進(jìn)行延性域加工等。

        工業(yè)陶瓷超聲研磨拋光：

        在工業(yè)陶瓷和難加工復(fù)合材料超聲加工方面，日本東京大學(xué)中川威雄和日本UNNO 海野邦昭分別進(jìn)行了復(fù)合材料振動(dòng)拋光和工業(yè)陶瓷超聲磨削的研究。在國內(nèi)，清華大學(xué)王先逵等進(jìn)行了45 號(hào)鋼制件的超聲砂帶研拋的實(shí)驗(yàn)研究。在型腔模具等超聲研磨拋光方面，國內(nèi)外已產(chǎn)生多種類型超聲研磨拋光機(jī)，近來推出了新型的超聲研磨拋光機(jī)。同時(shí)，超聲研拋技術(shù)的應(yīng)用及自動(dòng)化被廣泛研究。中國科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所的董世瑋等研制了人工牙功率超聲拋光儀，并試驗(yàn)證明在拋光人工牙時(shí)頻率在40kHz、位移幅度一般在5～60μm 內(nèi)，超聲拋光比砂輪機(jī)械拋光要快得多，工效提高幾十倍，用竹質(zhì)作拋光頭，配有金剛石軟膏，牙齒的光潔度可達(dá)10級(jí)以上。吉林大學(xué)詹建明、趙繼等研究了一種面向自由曲面精加工的機(jī)器人超聲彈性研拋系統(tǒng)，并在實(shí)驗(yàn)中得到了Rz=0.8μm 的二維曲面。證實(shí)了超聲彈性斜角研
磨加工技術(shù)的先進(jìn)性和機(jī)器人超聲彈性研磨系統(tǒng)的技術(shù)合理性。

        工業(yè)陶瓷發(fā)展展望

        工業(yè)陶瓷在工業(yè)各領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多，工業(yè)陶瓷的機(jī)械加工方法的研究也越來越顯得重要。今后在磨削理論日益完善以及先進(jìn)磨削加工設(shè)備的不斷研制前提下，磨削理論和磨削方法的研究將向更深一步發(fā)展。
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