陳振理（天津市鐵合金廠，天津 300400）

硬脆材料加工技術(shù)的研究

陳振理（天津市鐵合金廠，天津 300400）

對硬脆材料的各種用途和加工現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，根據(jù)硬脆材料抗拉強(qiáng)度低的特點(diǎn)，建立了切削模型。介紹了切削、磨削等主要的幾種加工方法的原理、適用范圍及最新研究成果，硬脆材料切削和磨削的機(jī)理和實(shí)驗(yàn)對比，并對特種加工做了簡單介紹。

硬脆材料 磨削 切削 切割 刀具 研究

1 綜述

近年來硬脆性材料，尤其是非金屬、非導(dǎo)電材料以及半導(dǎo)體等材料，例如玻璃、各種石材、寶石、硅晶體等，它們的硬度、脆性、耐磨性、抗蝕性、抗氧化性都比較高，正是由于這些獨(dú)特的性質(zhì)，這些特殊材料在軍用及民用工業(yè)等領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛。

光學(xué)玻璃的應(yīng)用較為普遍，可用來制作精度較高的透鏡等各類光學(xué)零件。陶瓷材料相對于光學(xué)玻璃由于有較好的化學(xué)穩(wěn)定性、不易被氧化腐蝕、有較好的耐磨性、高硬度以及能耐高溫等特點(diǎn)，應(yīng)用范圍更加廣泛。應(yīng)用于汽車工業(yè)所研制的發(fā)動機(jī)可實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)瞬間快速起動，效率也會更高。據(jù)上述，加大對硬脆材料加工方法研究的力度有很大的意義。

硬脆材料加工難度很大，加工時稍不注意就會引起工件表面的磨損或者破壞。究其原因是其具有較高的脆性，斷裂韌性比較低，材料本身的彈性強(qiáng)度和彈性極限比較接近。目前，材料去除主要包括以下方式：塑性去除、脆性去除和粉末化去除。而這些去除方式在對材料進(jìn)行去除之后都會產(chǎn)生降低工件強(qiáng)度和表面加工質(zhì)量等問題。因此，為了解決這些加工問題，需要研究一種新型、高效、經(jīng)濟(jì)的方法。

2 硬脆材料的特性

塑性高的金屬材料具有較高的E／HV值（維氏硬度），約為250，而高脆性的材料，其E／HV只有20。因此，在切削加工中，硬脆材料的塑性變形區(qū)很小。這一特征表明，切削刃在被加工表面留下的隆起較小。從理論上說，加工硬脆材料所得到的表面粗糙度要比加工塑性材料的小。

高硬度和斷裂韌性的材料容易損壞刀具，因此，極難切削。玻璃和高級陶瓷的硬度雖高，但斷裂韌性卻很低，這意味著，如果能有效地利用這類材料的鐓裂紋，切削加工所需的能量將會很小。在切削加工中，材料的導(dǎo)熱性也是一個重要的因素。硬脆材料的導(dǎo)熱性較差，切削熱將主要由刀具材料散出，這必將加速刀具的磨損。

3 硬脆材料的加工機(jī)理、加工技術(shù)及應(yīng)用

3.1 硬脆材料的切削模型

采用二維切削方式的硬脆材料切削模型。眾所周知，硬脆材料的抗拉強(qiáng)度較低，因此，這類材料常受拉應(yīng)力的作用而破壞。由斷裂力學(xué)的計算表明，在切削過程中，切削刃附近所受的拉應(yīng)力最大。所以，被切削材料首先在切削刃附近形成裂紋。隨著切削刃位置的變化，裂紋向前下方擴(kuò)展，其深度超過切削深度后，轉(zhuǎn)而向前上方發(fā)展，最終到達(dá)工件的自由表面，形成較大的片狀切屑，并在被切削表面留下凹痕或裂紋。

3.2 硬脆材料的切割加工技術(shù)

按照切割工具的形狀此種材料的切割方法分為如圖1所示的幾種。

圖1 硬脆材料的切割分類

3.2.1 圓片鋸切割

圓片鋸切割分為內(nèi)、外圓切割2種。

內(nèi)圓切割時產(chǎn)生的切縫狹窄，而且材料的利用率較高，對材料本身的損傷極小，具有高質(zhì)量的切割晶體且機(jī)床易于調(diào)整。正是由于以上這些優(yōu)點(diǎn)，內(nèi)圓切割的發(fā)展非常迅速，運(yùn)用極其廣泛，尤其對硅晶體、陶瓷以及硬質(zhì)合金等的切割效果顯著。但是內(nèi)圓切割也存在缺點(diǎn)，只能進(jìn)行直線切割而不能進(jìn)行曲線切割。

外圓切割的應(yīng)用較早，其切割刀刃是鋸片外圓周上的金剛石磨粒。這種切割方式的優(yōu)點(diǎn)是加工質(zhì)量好，設(shè)備操作方便并且效率高。但切割時噪音較大而且刀片剛性差，切割過程中鋸片易產(chǎn)生振擺、跑偏，導(dǎo)致被切割工件的平行度差。

3.2.2 帶狀工具切割

帶狀工具切割中比較有代表性的一種切割方式是金剛石帶鋸。它的切割工具是鑲焊金剛石燒結(jié)塊的環(huán)形鋸條。最早出現(xiàn)在市場上的金剛石帶鋸是在20世紀(jì)50年代，我國在20世紀(jì)80年代前后才逐漸開始研制出該類設(shè)備。這種切割方式的優(yōu)點(diǎn)是鋸口小、鋸切速度快、刀具材料消耗小、噪音小。缺點(diǎn)是對荒料要求規(guī)整、不能進(jìn)行多片切割等。鋼片切割機(jī)的原理類似于鋼砂鋸，它利用一排一定間隙的張緊的鋼片在工件上作往復(fù)運(yùn)動進(jìn)行切割。在鋼片與工件的接觸部位持續(xù)地澆注磨液，切割作用的形成是通過鋼片將磨液帶入工件切縫中。

3.3 硬脆材料的切削加工技術(shù)

金剛石刀具切削硬脆材料已成為可能，主要是通過在延性域超精密加工以獲得高質(zhì)量表面，而延性域切削的理論依據(jù)是壓痕斷裂力學(xué)。

3.3.1 定點(diǎn)壓頭作用

學(xué)者們在過去幾十年里對各種硬脆材料進(jìn)行了大量壓痕試驗(yàn)，將金剛石壓頭以一定的垂直力壓入材料內(nèi)部一定的深度，并且觀察材料的變形情況?？梢缘贸鋈缦陆Y(jié)論：在很小載荷作用下，即使是硬脆材料也會產(chǎn)生塑性變形。當(dāng)增加載荷時，材料的變形方式由塑性向脆性破壞轉(zhuǎn)變并且在材料的表面、內(nèi)部均產(chǎn)生由于脆性破壞引起的裂紋。在整個轉(zhuǎn)變的過程中，剛好產(chǎn)生裂紋時所施加的垂直載荷即稱為臨界載荷，而相應(yīng)的壓頭壓入深度稱為臨界壓深。

我們在印壓和刻劃實(shí)驗(yàn)中得出結(jié)論：即便是脆性材料，在壓入深度不大時，同樣會產(chǎn)生塑性變形且施加載荷存在一定程度上是關(guān)系到裂紋產(chǎn)生的長度的。所以我們提出了以裂紋不擴(kuò)展到已加工表面的脆性材料的延性域切削方式。

3.3.2 移動壓頭作用

此種作用下的有效磨粒要同時承受運(yùn)動方向上的切向載荷和定點(diǎn)壓痕下的法向載荷。這種效應(yīng)和布欣尼奇（Boussinesq）法相類似，我們可以利用米切爾（Michell）方法來對這兩個力同作用與某一點(diǎn)而產(chǎn)生的彈性應(yīng)力場進(jìn)行建模：

式中，μ和λ是勒穆（lame）彈性常數(shù)；θ、γ、ψ是極座標(biāo)。無論是移動還是定點(diǎn)都會產(chǎn)生局部塑性變，但是不同于定點(diǎn)壓痕的是，移動壓頭法向接觸壓力與接觸形式取決于壓頭的幾何形狀。我們可以使用平面應(yīng)力塑性分析來預(yù)測中央裂紋的長度。經(jīng)研究，在高載荷時，運(yùn)動壓頭的殘余應(yīng)力成為主要因素。

3.4 硬脆材料的磨削加工技術(shù)

壓痕斷裂力學(xué)模型是把硬脆性材料加工中磨粒與工件之間的相互作用看作小規(guī)模的壓痕現(xiàn)象，它是基于壓痕斷裂力學(xué)模型產(chǎn)生的，如圖2所示。當(dāng)磨粒與加工材料接觸時，磨粒下方工件的材料在壓應(yīng)力的作用下發(fā)生塑性流動。在載荷不大的情況下，卸載后由于壓力產(chǎn)生的壓痕能夠保留，材料不會產(chǎn)生裂紋，脆性材料在受壓過程中也存在一個塑性變形區(qū)域，壓力撤銷后無法恢復(fù)。在陶瓷材料的加工過程中，可以通過控制載荷來實(shí)現(xiàn)對硬脆性材料在塑性域的加工。

圖2 裂紋產(chǎn)生機(jī)理

從加工過程中所需能量角度來看，產(chǎn)生脆性斷裂所需的能量大于產(chǎn)生塑性變形所需能量。在加工過程中，當(dāng)磨削深度很小時，所需的能量很小，塑性加工就成為可能。因而，通過對磨削深度的控制可實(shí)現(xiàn)對硬脆性材料的塑性加工。

硬脆材料的磨削加工主要存在以下問題：

（1）在磨削過程中磨屑容易堵塞砂輪從而導(dǎo)致磨削力增大，在工件表面產(chǎn)生裂紋；

（2）砂輪上的磨粒很難保證分布均勻和磨粒的高度一致，工件加工精度不易保證。

為了解決以上問題，東京大學(xué)的中川威雄、日本理化學(xué)研究所的大森整等人于1987年提出了并深入研究了ELID砂輪在線電解修銳技術(shù)。

圖3 ELID磨削技術(shù)原理簡圖

在線電解修銳磨削為金屬結(jié)合劑金剛石磨具的修銳，提供了新硬脆材料的塑性磨削技術(shù)——砂輪振動及砂輪在線自動平衡技術(shù)思路。以平面磨削為例，超精密鏡面磨削原理如圖3所示。與直流脈沖電源正極相接的金屬結(jié)合劑超硬磨料砂輪與直流脈沖電源正極相接作陽極，工具同直流脈沖電源負(fù)極相接作陰極。通過該技術(shù)陽極可以露出鋒利的磨粒，堵塞在砂輪表層的金屬基體可以被電解去除，同時在砂輪表面形成一層氧化膜抑制砂輪過度電解，從而使砂輪在磨削過程中始終以最佳磨削狀態(tài)進(jìn)行加工。該技術(shù)在利用金屬基砂輪進(jìn)行磨削加工的同時，利用電解方法對砂輪進(jìn)行修整，將砂輪修整與磨削過程結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)對硬脆材料的超精密鏡面磨削。

ELID磨削非金屬硬脆材料技術(shù)的發(fā)展在國外已經(jīng)成功地帶動了一批新產(chǎn)品、新設(shè)備的開發(fā)。如東京物理化學(xué)研究所將ELID磨削技術(shù)應(yīng)用于超精密數(shù)控加工上，成功地加工出光學(xué)玻璃和碳化硅陶瓷等材料的高精度非球曲面。日本Kuroda公司推出了系列ELID專用磨床。

應(yīng)用在線電解修銳磨削技術(shù)磨削微晶光學(xué)玻璃微晶玻璃和光學(xué)玻璃都屬于硬脆性材料，用普通機(jī)械加工方法無法得到精密光滑表面。可應(yīng)用ELID磨削技術(shù)對微晶玻璃和光學(xué)玻璃進(jìn)行磨削。在配制微晶玻璃ELID精密磨削專用磨削液后，利用ELID技術(shù)對微晶玻璃進(jìn)行超精密磨削成為一種非常有效的手段。為對脆性材料在其塑性域內(nèi)實(shí)現(xiàn)超精密磨削加工必須滿足以下條件：在砂輪上每一個磨粒的最大切削深度需要小于脆性材料發(fā)生脆性破裂的臨界切削厚度。

式中：E為材料的彈性模量，MPa；H為材料的顯微硬度，GPa；Klc為材料的斷裂韌性，MPa。

砂輪單顆磨粒的最大切削深度的確定是通過對磨削過程中砂輪與工件的接觸狀態(tài)進(jìn)行分析后，得到公式：

式中：agmax為單顆磨粒的最大切削厚度值，mm；Vw為工件進(jìn)給速度，mm/s；ap為磨削深度，mm；Vs為砂輪速度，m/s；Nd為砂輪動態(tài)有效磨刃數(shù)，mm2；C為磨削常數(shù)。

與研磨等磨削方式相比，在實(shí)現(xiàn)塑性域磨削這一過程中，磨粒與微晶玻璃表面作用的過程中只有形成劃痕而沒有滾動擠壓，在塑性閾內(nèi)的磨削對微晶玻璃表面所造成的裂紋向微晶玻璃的深處延伸的趨勢較小。ELID磨削過程中磨削力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于普通磨削方式，由于其磨粒始終保持在鋒利的等高微刃切削狀態(tài)，因此在磨削過程中因?yàn)槟チＴ蛩斐傻钠扑閰^(qū)較小，容易實(shí)現(xiàn)塑性方式磨削。對微晶玻璃的磨削可以利用ELID精密磨削技術(shù)實(shí)現(xiàn)精密磨削，獲得較高質(zhì)量的磨削表面。

3.5 特種加工

3.5.1 碳弧氣刨加工

碳弧氣刨是用石墨棒或碳棒與工件之間產(chǎn)生電弧，利用電弧的高溫將金屬熔化，再利用壓縮空氣將熔化的金屬吹掉的一種刨削金屬的方法。碳弧氣刨的主要特點(diǎn)有：靈活性很大，可進(jìn)行全位置操作；生產(chǎn)效率高，勞動強(qiáng)度低，噪聲低；設(shè)備簡單，壓縮空氣容易獲得且成本低；在清除焊縫時，有利于焊接質(zhì)量的提高，因其加工過程中表面光亮在電弧下容易發(fā)現(xiàn)各種缺陷。

3.5.2 電熔爆加工

電熔爆加工技術(shù)同碳弧氣刨相比也是將熔融的金屬進(jìn)行剝離，但是在將金屬熔化的過程中是利用電熔技術(shù)，即通過一個或幾個自耗電極與工件之間對金屬加熱使金屬達(dá)到熔融狀，再利用高速工作將熔融金屬從工件表面剝離。電熔爆技術(shù)主要特點(diǎn)如下。

（1）電容爆加工技術(shù)同傳統(tǒng)加工技術(shù)相比，加工碳化鎢、高鉻合金、鎳基合金、稀土合金、金屬陶瓷、鈦合金等各種硬脆性材料，具有效率高、能耗低、成本小等優(yōu)點(diǎn)。

（2）實(shí)現(xiàn)無切削力加工，機(jī)床結(jié)構(gòu)減少80%，機(jī)床使用壽命增加為原來的5～10倍。

4 結(jié)束語

綜上所述，目前國外對硬脆性材料的加工技術(shù)比較先進(jìn)，而相對落后的處于起步階段的國內(nèi)研究現(xiàn)狀與其廣泛的應(yīng)用是不相協(xié)調(diào)的，我們要針對應(yīng)用現(xiàn)狀大力發(fā)展此項加工技術(shù)的研究，為國家科技發(fā)展提供強(qiáng)有力保障。

[1]陳明君，王立松，梁迎春.脆性材料塑性域的超精密加工方法[J].航空精密制造技術(shù)，2001（4）：10-13.

[2]楊俊飛，田欣利，劉超，等.非金屬硬脆材料加工技術(shù)的最新進(jìn)展[J].新技術(shù)新工藝，2009（8）：10-16.

[3]LinB，WuH，ZhuHT，et al.StudyonMechanismfor Material Removal and Surface Generation by Molecular Dynamics Simulation in Abrasive Processes[J].Key Engineering Materials，2004（259-260）：211-215.

[4]陳明君，王立松，梁迎春.脆性材料塑性域的超精密加工方法[J].航空精密制造技術(shù)，2001（2）：27.

[5]Blackley W S，Scattergood P O.Journal of Engineering for Industry，1994（116）：263.

[6]張遼遠(yuǎn)，郭玉泉，趙延艷，等.硬脆材料的電鍍金剛石線鋸超聲切割鋸切力研究[J].金剛石與磨料磨具工程，2008（12）：49-54.

[7]Zhang C，Ohmori H，Marinescu I.Grinding of ceramic coatings with cast iron bond diamond wheels[J].Manuf Techno1，2001，18（8）：545-552.

[8]姜峰，李劍峰，孫杰，等.硬脆材料塑性加工技術(shù)的研究現(xiàn)狀[J].工具技術(shù)，2007，41（5）：3-8.

[9]Klocke F，Brinksmeier E，Evans C.High-speed Grinding-Fundaments and State of the Art in Europe，Japanand the USA[J].Annals of the CIRP，1997（2）：715-724.

[10]Huang H.Experimental investigations of machining characteristicsandremovalmechanismsofadvancedceramicsonhigh speed deep grinding.International[J].Journal of Machine Tools and Manufacture，2003，43（8）：811-823.

[11]陳明君.脆性材料超精密磨削時脆轉(zhuǎn)變臨界條件的研究[J].高技術(shù)通信，2000（2）：64-67.

[12]Powell P N.Lasers heat up ceramic cutting[J].Laser Focus World，2000，36（6）：17-18.

[13]趙奕，董申.脆性材料的脆塑轉(zhuǎn)變超精密車削模型[J].微細(xì)加工技術(shù)，1998（10）：70－76.

[14]Tephen Hsu.Methods For Machining Hard Materials Using Alcohols[J].United States Patent，2001（3）：27.

Study on Hard and Brittle Material Machining Technique

Chen Zhenli

The author summarizes the current situation of hard and brittle material application and machining and establishes a cutting model as per the characteristics of its low tensile strength.The principle,application and latest study results of some machining methods for cutting and grinding are introduced.Comparisons are made on the mechanism and experiment of hard and brittle material cutting and grinding and special machining is also briefly explained.

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（收稿 2011-05-31責(zé)編趙實(shí)鳴）

陳振理，天津大學(xué)冶金分校機(jī)械系軋鋼機(jī)械專業(yè)，機(jī)械工程師，主要從事動力基建管理工作。