工程陶瓷具有許多優(yōu)良的性能，比如較高的硬度和強(qiáng)度，很強(qiáng)的耐腐蝕、耐磨損、耐高溫能力和良好的化學(xué)惰性等，因此在航空航天、化工、軍事、機(jī)械、電子電器以及精密制造領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。目前各發(fā)達(dá)國(guó)家如德、日、美、英等國(guó)非常重視工程陶瓷的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用。80年代以來(lái)，各國(guó)競(jìng)相投人大量的資金及人力，在工程陶瓷加工理論和技術(shù)、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和應(yīng)用等方面取得了很大的進(jìn)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(huì)產(chǎn)生各種類型的表面或亞表面損傷，這會(huì)導(dǎo)致陶瓷元件強(qiáng)度的降低，進(jìn)而限制了大材料去除率的采用。對(duì)陶瓷高效磨削加工而言，根本目標(biāo)就是在保持材料表面完整性和尺寸精度的同時(shí)獲得最大的材料去除率。目前陶瓷的加工成本己達(dá)到整個(gè)陶瓷元件成本的80%～90% ，高加工成本以及難以測(cè)控的加工表面損傷層限制了陶瓷元件更廣泛的應(yīng)用。
　　
　　陶瓷材料廣闊的應(yīng)用前景和復(fù)雜的加工特性，都要求對(duì)陶瓷的磨削加工過(guò)程進(jìn)行全面而深入的了解。從上世紀(jì)90年代開(kāi)始，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)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(jī)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(shù)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(xiàn)狀及發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行了歸納和總結(jié)。
　　
　　1 陶瓷材料磨削機(jī)理的發(fā)展
　　
　　1) 磨削機(jī)理的研究
　　
　　由于砂輪的磨粒尺寸、形狀和磨粒分布的隨機(jī)性以及磨削運(yùn)動(dòng)規(guī)律的復(fù)雜性，給磨削機(jī)理的研究帶來(lái)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(shù)研究都使用了“壓痕斷裂力學(xué)”模型或“切削加工”模型來(lái)近似處理。20世紀(jì)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=aE·P/C2/3，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s≥sY，導(dǎo)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(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。1987年，I.Inasaki 進(jìn)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(yīng)力場(chǎng)的大小。海野邦昭也在其專著中提出材料的去除機(jī)理受到高溫強(qiáng)度的影響。1991年，東北大學(xué)鄭煥文、蔡光起教授對(duì)含鉬金屬陶瓷進(jìn)行磨削實(shí)驗(yàn)，通過(guò)測(cè)定單位磨削力，磨削能和磨削比，以及使用SEM對(duì)陶瓷表面和切削區(qū)域進(jìn)行觀察，探索了金屬陶瓷材料的去除機(jī)理。
　　
　　1994年，Keio大學(xué)R.Rentsch首先將分子動(dòng)力學(xué)方法用于磨削機(jī)理的研究，給出了第一個(gè)磨削過(guò)程的仿真結(jié)果用來(lái)闡述磨削中磨屑堆積的現(xiàn)象，并指出了磨削過(guò)程仿真與切削過(guò)程仿真的異同點(diǎn)。
　　
　　1996年，美國(guó)麻省理工學(xué)院S.Malkin 對(duì)陶瓷磨削機(jī)理進(jìn)行了綜述，認(rèn)為深人研究磨削機(jī)理是陶瓷材料實(shí)現(xiàn)低成本高效率磨削的基礎(chǔ)。具體的研究方法概括為壓痕斷裂力學(xué)法和加工觀察法。壓痕斷裂力學(xué)模型是建立在理想化的裂紋系統(tǒng)和由壓頭所產(chǎn)生的變形的基礎(chǔ)上的。該法將磨粒和工件間的相互作用，用理想的小范圍內(nèi)的壓痕表示，分析應(yīng)力、變形及材料去除的關(guān)系。而加工觀察法包括磨削力的測(cè)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(jī)理的研究提供了重要見(jiàn)解。
　　
　　1999年，德國(guó)Kaiserslautern大學(xué)的G Warnecke指出，在磨削新型陶瓷和硬金屬等硬脆材料時(shí)，磨削過(guò)程及結(jié)果與材料去除機(jī)理緊密相關(guān)。材料去除機(jī)理是由材料特性、磨料幾何形狀、磨料切入運(yùn)動(dòng)以及作用在工件和磨粒上的機(jī)械及熱載荷等因素的交互作用決定的。另外，平面磨削過(guò)程還受到接觸區(qū)動(dòng)態(tài)特性的影響。
　　
　　對(duì)普通磨削而言，在磨削機(jī)理和磨削工藝方面已經(jīng)開(kāi)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(duì)有特殊加工性能的陶瓷和玻璃等工程材料的磨削機(jī)理和磨削工藝方面，國(guó)內(nèi)外開(kāi)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(jìn)行更深入的研究，找出其內(nèi)在的規(guī)律。
　　
　　2) 材料的基本去除機(jī)理
　　
　　在陶瓷材料加工過(guò)程的研究中，最復(fù)雜的便是材料的去除機(jī)理。研究表明，在陶瓷磨削加工過(guò)程中，材料去除主要基于以下幾種去除機(jī)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(jī)理
　　
　　通常情況下，陶瓷磨削過(guò)程中，材料脆性去除是通過(guò)空隙和裂紋的成形或延展、剝落及碎裂等方式來(lái)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(guò)程中，材料是以整個(gè)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(shí)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(jī)理中，材料是因磨削過(guò)程中所生的橫向和徑向裂紋的擴(kuò)展而形成局部剝落的。該方式的主要缺陷是裂紋的擴(kuò)展會(huì)大大降低工件的機(jī)械強(qiáng)度。1995年、1996年Xu、H.H.K，、Jahamir.S等人相繼指出，對(duì)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(guò)程中晶界微破碎和材料晶粒狀位錯(cuò)在材料去除過(guò)程中也起了關(guān)鍵作用。1998 年，德國(guó)Achen生產(chǎn)工程研究所V Sinhoff對(duì)杯形金剛石砂輪磨削光學(xué)玻璃進(jìn)行了研究，重點(diǎn)是研究脆性了延性轉(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(lái)描述材料的脆性去除向延性去除過(guò)程的轉(zhuǎn)變過(guò)程。
　　
　　(2) 材料的粉末化去除機(jī)理
　　
　　在精密磨削過(guò)程中，當(dāng)磨削深度在亞微米級(jí)時(shí)，碎裂和破碎不會(huì)發(fā)生，此時(shí)主要可能產(chǎn)生材料粉末化現(xiàn)象。材料粉末化去除機(jī)理認(rèn)為，磨削過(guò)程中磨粒會(huì)引起流體靜態(tài)壓應(yīng)力，該壓應(yīng)力所包圍的局部剪切應(yīng)力場(chǎng)引起晶界或晶間微破碎，從而產(chǎn)生材料粉末化現(xiàn)象。陶瓷材料晶粒因粉末化去除被碎裂成更細(xì)的晶粒，并形成粉末域。
　　
　　(3) 材料的塑性去除機(jī)理
　　
　　塑性去除方式類似于金屬磨削中的切屑成形過(guò)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(jī)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(dòng)的方式被去除。壓痕斷裂力學(xué)模型預(yù)瀏了產(chǎn)生橫向裂紋臨界載荷，在低于這一臨界載荷加工條件時(shí)，材料將以塑性變形去除為主。目前國(guó)內(nèi)外許多專家學(xué)者在研究對(duì)陶瓷實(shí)現(xiàn)延展性磨削和半延展性磨削技術(shù)，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(rèn)為采用高剛度高分辨率精密磨床，通過(guò)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)2，并根據(jù)能量守恒是律描述了延性域磨削時(shí)，進(jìn)給率和材料特性的關(guān)系閱。1991年，BifanoT、DowTA 、ScattergoodRO采用配有超精密進(jìn)給控制裝置的專用磨床對(duì)陶瓷材料的延性域磨削進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。研究結(jié)果表明，對(duì)于各種脆性材料在對(duì)應(yīng)的脆性轉(zhuǎn)變時(shí)的磨削進(jìn)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(guān)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(dòng)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(dāng)好的表面質(zhì)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(dòng)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(shí)驗(yàn)結(jié)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(jié)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(jìn)行的研究則進(jìn)一步說(shuō)明，高速超高速磨削中的表面破碎減少和塑性流動(dòng)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(guān)。
　　
　　實(shí)際磨削過(guò)程的影響因素很多，如機(jī)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(shí)現(xiàn)延展性磨削，其條件相當(dāng)苛刻。目前大多數(shù)采用半延展性磨削，這時(shí)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(qiáng)度等使用性能。半延展性磨削過(guò)程中，陶瓷材料通過(guò)磨粒作用處大量的微破碎和塑性變形被去除。當(dāng)磨粒的切削刃切入工件引起的應(yīng)力場(chǎng)比缺陷小時(shí)，材料將以塑性變形的方式被去除；相反當(dāng)應(yīng)力場(chǎng)大于缺陷時(shí)，裂紋擴(kuò)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(gè)磨粒的磨削深度不同，使得材料通過(guò)脆性破壞和塑性變形的共同作用而被去除，從而實(shí)現(xiàn)了半延展性磨削。
　　
　　柯宏發(fā)等人提出，在對(duì)陶瓷進(jìn)行半延展性磨削時(shí)，由于陶瓷的導(dǎo)熱性能較差，冷卻液的迅速冷卻會(huì)加大陶瓷的脆性，導(dǎo)致表面產(chǎn)生微裂紋。如果要獲得良好的加工表面，應(yīng)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(fā)展
　　
　　新型陶瓷材料的研究開(kāi)發(fā)不斷推動(dòng)和促進(jìn)陶瓷加工技術(shù)的發(fā)展，另一方面，這些新型磨削方式的產(chǎn)生也為陶瓷材料的應(yīng)用提供了強(qiáng)有力的工藝支持。由于陶瓷材料特殊的加工特性，傳統(tǒng)的磨削方式很難達(dá)到實(shí)際應(yīng)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(lái)興起的超聲振動(dòng)磨削、ELID(在線電解修整金剛石砂輪)、ECD(電化學(xué)在線控制修整)、ECDM(電化學(xué)放電加工)、MEEC(機(jī)械—電解—電火花磨削)等都是很有代表性的新型復(fù)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(wèn)題并提高加工效率，而且可以改善加工質(zhì)量?，F(xiàn)分別簡(jiǎn)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(dòng)，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(shí)，由于工具與工件之間存在超聲振動(dòng)，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(qū)域內(nèi)的空化、超壓效應(yīng)，從而產(chǎn)生材料去除效果。它與其它加工方法結(jié)合形成了各種超聲復(fù)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(xué)院辛志杰等人進(jìn)行了超聲振動(dòng)珩磨磨技術(shù)研究，開(kāi)發(fā)出了超聲振動(dòng)折磨裝置。此項(xiàng)技術(shù)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(dòng)塑性磨削與普通塑性磨削的材料去除機(jī)理也不同，超聲振動(dòng)塑性磨削除了使材料剪切破壞外，還使材料在高頻振動(dòng)下發(fā)生疲勞破壞，加速材料的去除，故比普通磨削效率更高。實(shí)現(xiàn)超聲振動(dòng)塑性磨削的條件不僅與磨削深度有關(guān)，還與振幅和頻率有關(guān)。超聲振動(dòng)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(shí)間，故加工效率比普通磨削高一倍以上。天津大學(xué)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(diǎn)，加工效率高于超聲波加工十倍左右，可改善工件的表面質(zhì)量．對(duì)陶瓷材料的微孔加工有重要價(jià)值。
　　
　　2) ELID(在線電解修整金剛石砂輪)
　　
　　ELID磨削是一種在加工過(guò)程中使用電解修整砂輪和常規(guī)機(jī)械磨削相結(jié)合的新穎磨削方法。在ELID磨削過(guò)程中，微弱電解作用使砂輪表面的金屬結(jié)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(shù)量的磨粒突出在外。在有選擇的使用結(jié)合劑的基礎(chǔ)上，能實(shí)現(xiàn)高效磨削和鏡面磨削。該技術(shù)首先由日本物理化學(xué)研究所的大森整( Hitoshiohmori)等人于1987提出，他們采用微細(xì)磨粒鑄鐵纖維基金剛石砂輪，對(duì)硅片進(jìn)行精密加工；采用普通機(jī)床在磨削過(guò)程中進(jìn)行砂輪的在線修整，實(shí)現(xiàn)了硅片的鏡面磨削。1995年，大森整又對(duì)ELID進(jìn)行了進(jìn)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(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。加工后的表面粗糙度達(dá)幾個(gè)埃，從而可代替研磨與拋光。
　　
　　3) MEEC(機(jī)械—電解—電火花磨削)
　　
　　電解、電火花復(fù)合磨削加工工藝(MEEC)是一種以機(jī)械磨削為主的三復(fù)合加工方法，它將機(jī)械、電學(xué)、化學(xué)作用綜合運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)高速、高精度加工。其工作原理是在砂輪旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，當(dāng)不導(dǎo)電部分與工件相接觸時(shí)磨粒對(duì)工件產(chǎn)生機(jī)械磨削作用，當(dāng)導(dǎo)電部分接近工件時(shí)，由噴射到砂輪和工件間的磨削液引起電解作用而改善加工表面質(zhì)量。在導(dǎo)電部分脫離工件表面的瞬間所發(fā)生的火花放電，除了在一定程度上去除工件材料外，由此產(chǎn)生的高溫還使砂輪上磨粒周圍的結(jié)合劑熔化和氣化而保持砂輪的鋒利，并使陶瓷等某些工件材料因受熱而利于磨削。該法能對(duì)無(wú)法采用電火花、電解加工的非導(dǎo)電材料(陶瓷)進(jìn)行加工。廣東大學(xué)通過(guò)對(duì)MEEC方法的研究，提出了降低能耗、提高加工效率、改善加工精度的途徑。
　　
　　4) ECD(電化學(xué)在線控制修整)
　　
　　1999年，D . Kramer等人提出了ECD技術(shù)，該研究與ELID 不同，ECD過(guò)程不需要形成氧化膜和氫氧化物膜，而是通過(guò)測(cè)定磨粒刃口和工件表面狀態(tài)來(lái)控制電化學(xué)的修整過(guò)程，研究結(jié)果表明該技術(shù)在磨削陶瓷、PCBN、PCD和硬質(zhì)合金過(guò)程中，可以顯著改善材料的表面質(zhì)量。2000年，D.Kramer等人進(jìn)一步提出采用可控電化學(xué)工藝在線修整金屬結(jié)合劑砂輪可為磨削用傳統(tǒng)磨削方法極難加工的新型切削材料提供了全新的途徑。
　　
　　5) ECDM(電化學(xué)放電加工)
　　
　　ECDM是將電化學(xué)加工(ECM)與放電加工(EDM)結(jié)合起來(lái)的可控在線電化學(xué)加工。瑞士蘇黎士的M.Schoepf等人稱其為整形修銳金屬結(jié)合劑砂輪和經(jīng)濟(jì)高效地磨削陶瓷材料的理想方法。
　　
　　3 結(jié)束語(yǔ)
　　
　　綜上所述，陶瓷材料的加工技術(shù)的發(fā)展，各種新型磨料、粘合劑的應(yīng)用，特別是新型磨削方式的出現(xiàn)，為陶瓷材料在更廣泛的領(lǐng)域內(nèi)得以應(yīng)用創(chuàng)造了條件；而陶瓷材料磨削機(jī)理的發(fā)展，尤其是陶瓷材料去除機(jī)理的理論研究在國(guó)內(nèi)外得到了很大的發(fā)展，又為陶瓷材料的進(jìn)一步應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。目前，非穩(wěn)態(tài)磨削與無(wú)損傷磨削等領(lǐng)域的研究也引起人們的關(guān)注?？梢灶A(yù)見(jiàn)，在不久的將來(lái)，隨著理論研究的深人與新型加工技術(shù)的不斷出現(xiàn)，陶瓷磨削技術(shù)一定會(huì)在更多領(lǐng)域內(nèi)得到應(yīng)用和推廣。