工程陶瓷的机械加工技术研究进展

雷 蕾，田欣利，王 龙，王望龙

(装甲兵工程学院，装备再制造技术国防科技重点实验室，北京 100072)

工程陶瓷的机械加工技术研究进展

雷 蕾，田欣利，王 龙，王望龙

(装甲兵工程学院，装备再制造技术国防科技重点实验室，北京 100072)

工程陶瓷具有硬度高、耐磨性好、性能稳定等许多优异的性能，因而在各个行业中都得到了广泛的应用。在国内外学者的相关研究基础上，工程陶瓷加工技术的新方法得到了长足发展。由于工程陶瓷具有的显著硬脆特性，机械加工是最为常用的传统加工技术。结合最近几年相关文献与资料，本文阐述了国内外关于高速/超高速磨削、深切缓进给磨削、高速深磨磨削等工程陶瓷机械加工技术的相继发展情况。此外，还阐述了基于边缘碎裂效应的切割-推挤式加工和能量辅助切削加工两项新型加工技术。

工程陶瓷；机械加工技术；研究进展；能量辅助切削加工

0 引 言

工程陶瓷具有轻质、抗腐蚀、耐高温、热膨胀系数小、抗热震能力、自润滑能力、耐磨损及和摩擦系数低等优异性能，目前已广泛应用在了能源工程行业、汽车工业、机械行业、化工石油行业、航空航天领域、冶金建材行业以及军事工程等领域[1,2]。

工程陶瓷加工技术通常分为三类：特种加工技术、复合加工技术和机械加工技术。目前，机械加工技术在工程陶瓷加工中的应用最为广泛，其中使用金刚石砂轮进行磨削加工技术较成熟。为了提高工程陶瓷等硬脆难加工材料的效率，国内外陆续提出了许多高效磨削的创新性加工理念和新技术。鉴于加工过程本身就是一种对材料的可控性的破坏过程，基于边缘碎裂效应的切割-推挤式加工技术充分利用了裂纹、边缘破碎等缺陷的优势。尽管近十余年，国内外新发展了很多先进特种加工技术，但它们工艺不完善，加工成本高，基本没有得到广泛的实用。然而，能量辅助切削技术便于实现改善工程陶瓷的可切削性能，业已成为国内研究的热点。

通信联系人：王龙(1989-)，男，博士。

1 高效磨削加工技术

1958年西德ELB磨床公司提出了深切缓进给磨削加工方法，它以进给速度缓慢和背吃刀量较大为显著特征，是一种高效的磨削加工方法[3-5]。G.Werner[6]经实验研究并推导了深切缓进给加工的磨削力模型，指出深切缓进给磨削的磨削力是普通磨削加工过程的2-4倍。利用缓进给超声磨削试验，德国G.Spur等[7]将加工参数对氧化铝和氮化硅陶瓷材料在加工过程中的磨削力、砂轮磨损及加工表面粗糙度等指标的影响进行了对比分析。美国T.W.Liao等[8,9]通过对氧化铝的深切缓进给磨削试验，分析了砂轮磨损机理和加工表面质量。国内的专家学者也对深切缓进给磨削加工技术进行了全面深入的研究。利用工程陶瓷缓进给磨削加工技术，徐燕申、周灿丰等[10-12]对磨削力等特征参数进行了单因素实验以及正交试验的研究，指出了磨削作用力随着磨削宽度和工件转速，以及磨削深度的增大而增大，随着砂轮转速的增大而减少，且加工表面完整性比普通磨削好。骆明涛等[13]指出深切缓进给磨削加工的磨削热量有相当大一部份会被磨屑带走，工件转速和磨削深度越小，磨削温度越低。自2009年，装甲兵工程学院[14,15]对小砂轮轴向大切深缓进给磨削加工方法进行了系统研究，依靠高速旋转的小砂轮以较大的切深并轴向缓进给磨削工件的内外表面(工件轴线与小砂轮轴线平行)，工件的转速较低。由于所选用的砂轮尺寸较小，因而无需考虑静平衡或动平衡的问题,且它的磨削过程中受到的切削抗力较小，能量消耗小，并对设备机床的主轴功率要求不高，有利于降低加工成本。

Correspondent author:WANG Long(1989-), male, Ph.D.

E-mail:waloxs@163.com

1931年在德国的萨洛蒙博士(Carl. J. Salomon)[16]发表的Salomon曲线中首次在全世界范围内提出了高速/超高速加工的概念。通常可以将砂轮线速度达到45 m/s和150 m/s时作为界定普通磨削、高速磨削和超高速磨削的临界点值。而高速／超高速磨削加工技术在欧美国家发展较早并且发展较为迅速。1979年Bremen大学的P.G.Werner等人[17]针对高效深磨区的合理性问题进行了预言。1983年Bremen大学与Guhring Automation公司合作制造出了世界首台可用于高效深磨的机床，额定功率大小为60 kW，主轴转速可达到 r/min，砂轮的圆周线速度可以达到209 m/s。2000年美国S.Malkin等[18]在线速度为149 m/s的加工条件下，利用电镀金刚石砂轮实现了对氮化硅陶瓷的磨削加工。1994年德国的Junker公司[19,20]使用CBN或人造金刚石砂轮开发了速度可达200 m/s的高速点磨削技术。国内于1958年开始研究高速磨削技术，目前湖南大学等院校的高效磨削重点实验对超高速磨削技术的部分研究成果已达到国际前列。湖南大学谢桂芝等[21,22]人对高速深磨加工技术进行了系列的研究，指出磨削深度对表面损伤影响不大，通过增大砂轮线速度和磨削深度有利于提高加工效率，但不利于砂轮使用寿命的延长。开展高速磨削实验研究，Huang等[23]人指出加快砂轮转速可使单位时间内参与磨削的磨粒数目增多，单个磨粒的最大磨削深度变浅，有利于实现了陶瓷材料的塑性去除，此外通过减少磨削深度和工件速度可以改善陶瓷的加工表面质量。

深切缓进给磨削的材料去除率较高，有利于提高生产效率；且砂轮磨损小，有利于保证工件的加工精度的稳定；但由于磨削深度较大，磨削液难以进入冷却，它的磨削热较大，易烧伤工件；较大的磨削力对磨削机床的刚度及功率有较高要求。国内外工程陶瓷材料的高速／超高速磨削加工研究往往要提高砂轮转速和加大背吃刀量，但其对砂轮强度有很严格要求，才保证在高速旋转下不会破裂；其磨削力大，对砂轮传动系统功率及机床刚性要求高，设备等成本代价太高。在利用加工刀具对工程陶瓷进行接触磨削的传统加工方法中，必须选用硬度大于工程陶瓷的材料做刀具，同时由于陶瓷材料的高硬度，加工刀具在整个过程中损耗严重，使得加工成本较高。

2 基于边缘碎裂效应的切割-推挤式加工技术

工程陶瓷在常规磨削加工过程中，因受到热应力、机械应力等作用，将产生磨削表面/亚表面裂纹、表面破碎、边缘碎裂等脆性损伤，它们随机发生难以控制。缺陷前沿形成局部应力集中，易引发材料内部裂纹萌生或扩展，成为损坏陶瓷磨削表面品质和强度性能的潜在裂纹源。由于工程陶瓷对裂纹、残余拉应力等缺陷非常敏感，使得在加工过程中工程陶瓷的质量普遍难以控制。实际上，加工过程本身就是一种对材料的可控性破坏过程，基于此原理，装甲兵工程学院于2013年开始研究工程陶瓷基于边缘碎裂效应的切割-推挤式加工技术[32,33]。图1是新技术加工原理图，图2是采用高速摄像记录的实际加工过程。正是利用切割形成的多个凸缘使边缘数量增加，且在凹槽内预制裂纹缺陷，以至在加工过程极易出现边缘破碎效应使裂纹扩展形成切屑，从而实现表层材料去除。在外加三维拉应力场和自由边缘表面应力场驰豫的综合作用下，陶瓷材料内部依次经历了预制微裂纹的迅速扩展贯通及断裂过程，直到材料破碎去除。

此新型加工方法通过在特定条件下促使裂纹缺陷由“害”向“利”发生转化，从而大大减小了传统陶瓷加工依赖外部输入高能量以及只有用超高硬度的刀具才能加工的束缚，通过硬度较低的工具在能量消耗较小的作用下即可实现加工。该项新技术不依靠普通意义上的“切削”作用，因此对推挤工具的刀刃锋利性没有要求，甚至可以使报废的车刀，很好的节约成本。此新型加工方法有利于改变陶瓷加工成本高的现状，有助于推动工程陶瓷材料的广泛运用。

图1 加工原理图Fig.1 Schematic diagram of processing

图2 破碎过程的高速摄像Fig.2 High speed photography of crushing process

3 能量辅助切削加工技术

超声振动辅助切削加工充分利用振动造成的脉冲切削作用，有利于减少刀具与工件之间硬切削的摩擦作用，以及改善切削温度和切削力。周泽华、叶邦彦等[24]人开展了超声振动车削系统的研究，利用刀具规则的强迫振动改善硬脆材料的加工性。

2003年，装甲兵工程学院吴志远等[25]人针对等离子喷涂Al2O3+13%TiO2陶瓷涂层的车削加工过程就利用超声波振动辅助切削加工技术，充分的试验研究表明超声波振动辅助切削加工能显著有效的提高刀具的耐用度，它们的有效切削时间是普通车削的4倍。郭伟光、王军等[26,27]先后对超声振动辅助的车削和磨削加工研究，都表明能较好的减少已加工表面的残余裂纹，有效提高加工质量。

1978年，美国的S.M.Copley和M.Bass最早开展激光加热辅助切削研究，采用激光照射切削刃前的材料进行辅助切削，降低切削力，延长刀具寿命，降低表面粗糙度，减少残余应力。美国的Purdue大学[28,29]通过比较对Si3N4、莫来石等陶瓷材料进行了较多的试验，且建立三维瞬时温度场传递的数学模型和物理模型。Shin Y C等[30]人对氮化硅、氧化铝、氧化锆等陶瓷开展激光加热辅助磨削实验，可以通过对材料的局部预热，降低材料的脆性和硬度，实现陶瓷材料的脆性去除向塑性去除的转变。加热辅助切削技术近年来在国内的研究界也是热点，学者们开展了大量的研究性实验工作。湖南大学金湘中、陈沛等[31]人还先后对CO2激光辅助加热车削氮化硅陶瓷和氧化铝陶瓷的加热区域构立了温度场数学模型，并通过大量实验研究了CO2激光辅助加热车削过程的切削力、切屑形状、刀具磨损及加工后表面质量状况。然而，加热辅助切削过程中由于不可避免的会导致刀具温度的提高，反而有时也会导致刀具磨损变严重，此外，由于待加工区域中加热辅助温度不均匀，使得工件由表到里的材料软化程度逐渐减弱，材料硬度的变化使得刀具在切削加工过程中受到来自工件反作用力不均匀，因而需要恰当选择切削深度，防止出现刀尖耗损严重甚至崩刃的情况，同时合理选择切削深度也有利于提高工件表面加工质量，防止出现工件表面裂纹。

4 结 论

工程陶瓷的硬脆特性，使其成为典型的难加工材料，从而成为阻碍其发展的“瓶颈”。由于近年来各行业市场需求驱动，无疑促进了陶瓷加工技术的迅速进一步发展。磨削是典型的材料精加工方法，在硬脆材料上得到深入推广且技术越加成熟，相继开发出了高速/超高速磨削、深切缓进给磨削、高速深磨磨削等技术，且在今后较长时间内依旧将是工程陶瓷最为常规的可靠加工方法，并继续促使磨削机床和砂轮等加工系统相关技术日益进步，磨削加工将越加趋向于高效率、高精度、低成本。基于边缘碎裂效应的切割-推挤式加工技术提供了高效率、低成本的新型机械加工方式，它首次巧妙利用预制裂纹等缺陷和边缘碎裂效应，以较小的能量消耗和低于被加工材料硬度的工具就能实现粗加工。为了满足工业界对陶瓷零件高精度、高质量的迫切需求，工程陶瓷表面超精密磨削、研磨与抛光加工技术也得到重视，除机械抛光外，弹性发射加工、界面反应抛光、磁流体抛光等抛光技术也得到蓬勃发展与广泛运用。

[1] JOO J K, LEE B H W A, KIM T H, et al. Method of manufacturing multilayer ceramic electronic component∶ US 14/981, 650 [P]. 2015-12-28.

[2] PAWAR K. New tends in manufacturing in ceramic industry [J]. International Journal of Ceramics and Ceramic Technology, 2016, 2(1)∶ 18-20.

[3] 宁欣, 姚建国, 苏建修. 纳米陶瓷磨削深度对表面质量的影响分析[J]. 航空制造技术, 2015, 16∶ 96-97.

NING X, YAO J G, SU J X. Aeronautical Manufacturing Technology, 2015, 16∶ 96-97.

[4] MOHAMED A O, BAUER R, WARKENTIN A. Application of shallow circumferential grooved wheels to creep-feed grinding [J]. Journal of Materials Processing Tech., 2012, 2013, 213∶700-706.

[5] 武志斌. 高效磨削的瓶颈与对策[D]. 南京∶ 南京航天航空大学, 2001.

[6] WERNER G. Influence of work material on grinding force [J]. Annals of the CIRP, 1978, 127(1)∶ 243-248.

[7] SUR G, HOLL S E. Ultrasonic assisted grinding of ceramics [J]. Journal of Materials Processing Technology, 1996, 62(4)∶ 287-293.

[8] LIAO T W. Flexural strength of creep feed grinding ceramics∶General pattern, ductile-brittle transition and MLP modeling [J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 1998, 38(4)∶ 251-275.

[9] LIAO T W, LI K, MCSPADDEN S B, et al. Wear of diamond wheels in creep-feed grinding of ceramic materials I∶Mechanisms [J]. Wear, 1997, 211(1)∶ 94-103

[10] 张珂, 齐宇飞, 王贺, 等. 氧化锆陶瓷磨削机理有限元仿真与实验[J]. 沈阳建筑大学学报(自然科学版), 2014, 03∶ 523-529.

ZHANG K, QI Y F, WANG H, et al. Journal of Shenyang Jianzhu University (Natural Science), 2014, 03∶ 523-529 (in Chinese).

[11] 沈剑云. 结构陶瓷磨削机理与热特性分析[D]. 天津大学, 2004.

[12] 侯永改, 田久根, 路继红, 等. 氧化锆陶瓷磨削加工的研究现状[J]. 中国陶瓷, 2014, 09∶ 6-9.

HOU Y G, TIAN Y G, LU J H, et al. China Ceramics, 2014, 09∶ 6-9.

[13] 毕雪峰, 杨承三, 景璐璐. 深切缓进给磨削烧伤实验研究[J].上海理工大学学报, 2014, 03∶ 303-306.

BI X F, YANG C S, JING L L. University of Shanghai for science and technology, 2014, 03∶ 303-306.

[14] TIAN X L, GUO F, MAO Y T, et al. Mechanism analysis of high efficiency axial turn-grinding of engineering ceramics [J]. Key Engineering Materials, 2011, 487∶ 376-380.

[15] GUO F, ZHANG B G, LU H, et al. High efficiency axial deep creep-feed grinding machining technology of engineering ceramics materials [J]. Journal of Wuhan University of Technology-Materials Science Edition, 2012, 27(5)∶ 902-906.

[16] 尚振涛, 郭宗福, 谢桂芝, 等. 金属陶瓷材料高速超高速磨削性能试验研究[J]. 制造技术与机床, 2012, 07∶ 144-148.

SHANG Z T, GUO Z F, XIE G Z, et al. Manufacturing Technology & Machine Tool, 2012, 07∶ 144-148.

[17] LAWN B R, MARSHALL D B. Hardness, toughness and brittleness∶ An indentation analysis [J]. Am Ceram Soc, 1979, 62∶ 347-351.

[18] 赵恒华, 宋涛, 蔡光起. 磨削加工技术的发展趋势[J]. 制造技术与机床, 2012, 01∶ 55-58.

ZHAO H H, SONG T, CAI G Q. Manufacturing Technology & Machine Tool, 2012, 01∶ 55-58.

[19] 巩亚东, 曹振轩, 刘月明, 等. 高速点磨削参数对温度场与表面硬度的影响[J]. 东北大学学报(自然科学版) , 2012, 03∶414-417.

GONG Y D, CAO Z X, LIU Y M, et al. Journal of Northeastern University (Natural Science), 2012, 03∶ 414-417.

[20] 于海涛, 杜瑞雪. 机械制造领域中超高速磨削技术的应用[J].煤矿机械, 2012, 04∶ 134-136. YU H T, DU R X. Coal Mine Machinery, 2012, 04∶ 134-136.

[21] HUANG H. Machining characteristics and surface integrity of yttria stabilized tetragonal zirconia in high speed deep grinding [J]. Materials Science and Engineering, 2003, A345∶ 155-163

[22] 谢桂芝. 工程陶瓷高速深磨机理及热现象研究[D]. 湖南大学, 2009.

[23] HUANG H, YIN L, ZHOU L B. High speed grinding of silicon nitride with resin bond diamond wheels [J]. Journal of Materials Processing Technology, 2013, 141∶ 329-336.

[24] 谢志萍, 刘国孝, 刘国忠, 等. 超声振动切削加工技术的研究进展[J]. 兵器材料科学与工程, 2015, 02∶ 133-136.

XIE Z P, LIU G X, LIU G Z, et al. Ordnance Material Science and Engineering, 2015, 02∶ 133-136.

[25] 吴志远, 刘贵民, 田欣利, 等. 超声波振动车削加工等离子喷涂Al2O3+13%TiO2陶瓷涂层[J]. 新技术新工艺, 2003, (6)∶ 13-14.

WU Z Y, LIU G M, TIAN X L, et al. New Technology & New Process, 2003 (6)∶ 13-14.

[26] 段士伟. 陶瓷材料的静动态力学性能和损伤特性研究[D]. 中国科学技术大学, 2013.

[27] 焦锋. 工程陶瓷超声辅助固着磨料高效研磨机理及试验研究[D]. 上海交通大学, 2008.

[28] REBRO P A, SHIN Y C, INCROPERA F P. Laser-assisted machining of reaction sintered mullite ceramics [J]. Journal of Manufacturing Science and Engineering, 2002, 124(4)∶ 875-885.

[29] TIAN Y, WU B, ANDERSON M. Laser-assisted milling of silicon nitride ceramics and inconel 718 [J]. Journal of Manufacturing Science and Engineering, 2008, 130(3)∶310131-310139.

[30] TIAN Y, SHIN Y C. Laser-assisted machining of damagefree silicon nitride parts with complex geometric features via in-process control of laser power [J]. Journal of the American Ceramic Society, 2006, 89(11)∶ 3397-3405.

[31] 陈沛. 激光加热辅助切削工程陶瓷材料的研究[D]. 湖南大学, 2006.

[32] 田欣利, 王龙, 王望龙, 等. 基于GLCM和NN的陶瓷推挤加工表面特征研究[J]. 人工晶体学报, 2014, 43(9)∶ 2358-2365.

TIAN X L, WANG L, WANG W L, et al. Journal of Synthetic Crystals, 2014, 43(9)∶ 2358-2365.

[33] 田欣利, 王龙, 王望龙, 等. 基于边缘破碎驱动裂纹推挤式加工的破碎模拟实验研究[J] .人工晶体学报, 2014, 43(10)∶2726-2731.

TIAN X L, WANG L, WANG W L, et al. Journal of Synthetic Crystals, 2014, 43(10)∶ 2726-2731.

Research Progress of Mechanical Processing Technology of Engineering Ceramics

LEI Lei, TIAN Xinli, WANG Long, WANG Wanglong
(National Defense Key Laboratory for Remanufacturing Technology, Academy of Armored Forces Engineering, Beijing 100072, China)

Engineering ceramics which have high hardness, good wear resistance and performance stability have been widely used in various industries. On the basis of relevant research results by domestic and foreign scholars, new processing technologies of engineering ceramics obtain considerable development. Mechanical machining is the traditional processing technology which has been commonly used because of the hardness and brittleness of engineering ceramics. This paper reviews the recent developments of high/ ultra high speed grinding, deep creep and slow feed grinding, high speed and deep creep grinding, etc. In addition, it also describes the cutting and extruding processing technology based on edge-chipping effect and energy assisted machining technology.

engineering ceramics; mechanical machining technology; research progress; energy assisted machining

date: 2016-03-17. Revised date: 2016-05-10.

10.13957/j.cnki.tcxb.2016.05.002

TQ174.75

A

1000-2278(2016)05-0460-05

2016-03-17。

2016-05-10。

国家自然科学基金(51475474)。