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1、硬脆材料的延性磨削技術(shù)1.概述隨著現(xiàn)代高新技術(shù)的發(fā)展，具有優(yōu)良性能的硬脆材料的加工已成為普遍關(guān)注的新焦點。硬脆材料在電子、光學、儀器儀表、航天航空、民用等行業(yè)用來制造高技產(chǎn)品的前景十分廣闊。如大規(guī)模集成電路基片的加工，要求具有極小的不平度和極低的表面粗糙度，且加工表面應無雜質(zhì)和缺陷。但是先進陶瓷、單晶硅、人工晶體、紅藍寶石、石材等硬脆材料在傳統(tǒng)的材料去除方式下不能達到要求。由于靠脆性斷裂來去除材料引起表面損傷。硬脆材料的壓印實驗證明：即使是硬脆材料，在很小的載荷作用下，仍會產(chǎn)生一定的塑性變形，基于“
2、壓痕斷裂模型”的理論分析，磨粒的切削深度小于臨界切削深度時?？梢詫崿F(xiàn)硬脆性材料的延性磨削加工。1980年代前半期，歐美等國的研究人員以切削方面的超精密切削加工為基礎，提出了脆性材料的延性方式磨削。延性磨削加工是指在一定條件下，玻璃和陶瓷等脆性材料能用金剛石砂輪，在塑性方式下加工，產(chǎn)生無裂紋無缺陷的表面。這種加工稱為延性磨削加工技術(shù)。主要是針對脆性材料而言，致力于追求無損傷的磨削。切屑的形成與磨削金屬等塑性材料類似，磨削后表面和亞表面不產(chǎn)生裂紋，是一種損傷極小的磨削方式。這對于復雜且高精度的光學零件和
3、陶瓷零件的加工具有很重要的意義。2延性磨削技術(shù)的機理2.1延性轉(zhuǎn)變的可行性(1)現(xiàn)象分析硬脆材料的延性域加工思想來源于壓痕和研磨等過程中出現(xiàn)的現(xiàn)象:當采用尖銳壓頭(磨粒)壓入玻璃等硬脆材料表面時，壓應力的作用使壓頭正下方的試件材料發(fā)生不可逆的塑性流動，如果壓頭載荷足夠小，就不會出現(xiàn)脆性斷裂;采用微細粒度的磨粒對玻璃等硬脆材料進行研磨時，如果磨粒的切深足夠淺，所生成的溝槽非常光滑，類似于研磨塑性材料時所生成的溝槽;對磨粒進行破碎時，磨粒尺寸越小，將磨粒磨碎越困難。這些現(xiàn)象使人們認識到在硬脆材料加工時，
4、存在著“尺寸效應”，當材料的去除體積極小時，即使對玻璃等硬脆材料，塑性變形將先于脆性斷裂發(fā)生。因此，不產(chǎn)生脆性裂紋的、低損傷的硬脆材料加工是可能的。(2)力學原理在研究陶瓷磨削過程時,一般都采用“壓痕斷裂力學”模型來分析。壓痕斷裂力學模型是把陶瓷磨削中磨粒與工件的相互作用看作小規(guī)模的壓痕現(xiàn)象(見圖1)。當壓頭(磨粒)壓入材料表面時,壓應力的作用使壓頭正下方的試件材料發(fā)生非彈性流動。如果載荷不大,則卸載后壓痕保留,材料無裂紋產(chǎn)生,表明脆性材料也存在一個塑性變形的區(qū)域。從陶瓷材料的磨削過程來看,控制材料
5、所受載荷就可以實現(xiàn)材料的延性域去除。4圖1彈/塑性壓痕模型從加工過程中所需能量角度來看,由于產(chǎn)生塑性變形所需要的能量小于產(chǎn)生脆性斷裂的,當磨削深度很小時,加工所需的能量就很小,塑性加工就成為可能，因而控制磨削深度可實現(xiàn)延性域加工。從材料的去除率來看,當采用磨削加工時,材料去除率可達到0.1mm3/(mm.s)以上,而拋光時該數(shù)值低于10-3mm3//(mm.s),如圖2所示。顯然,在磨削和拋光之間的中間區(qū)域為陶瓷類脆性材料的塑性加工提供了很大的空間。圖2磨削所能達到的材料去除率硬脆材料的壓印實驗證明
6、：即使是硬脆材料，在很小的載荷作用下，仍會產(chǎn)生一定的塑性變形，而且產(chǎn)生裂紋的長度與施加的載荷存在下列關(guān)系：P=αHα2式中，P為垂直于材料表面施加的載荷；α為裂紋長度的一半；H為材料的硬度；α為與壓頭幾何形狀相關(guān)的常數(shù)。當載荷增加到一個臨界值Pc時，材料將由塑性變形向脆性破壞轉(zhuǎn)變，在材料內(nèi)部和表面產(chǎn)生脆性裂紋。Pc值與材料硬度和斷裂韌性的關(guān)系為Pc=λK4c/H3式中，H為材料的硬度；Kc為材料的斷裂韌性；λ為一個綜合影響因子。通過壓印實驗可以得出結(jié)論：在一定的條件下完全可以實現(xiàn)硬脆材料的塑性加工。
7、實現(xiàn)延性域磨削的必要條件是脆性域向延性域的轉(zhuǎn)變，即從脆性裂紋的優(yōu)先擴展轉(zhuǎn)變到塑性流動的優(yōu)先出現(xiàn)。2.2延性磨削的材料去除機理當磨削硬脆性材料，如功能陶瓷、玻璃等光學材料、單晶硅等半導體材料時，傳統(tǒng)的材料去除方式是脆性斷裂，即磨粒壓入工件表面，在應力的作用下，工件表面產(chǎn)生橫向裂紋、中位裂紋、徑向裂紋，橫向裂紋擴展、交叉或直達工件表面，使一部分材料脫離工件表面生成切屑。中位裂紋引起亞表面損傷。延性域磨削中，磨屑是以塑性流動的方式去除的，表面和亞表面不產(chǎn)生裂紋。實現(xiàn)脆性材料的延性方式磨削主要基于兩種原理，
8、一是“壓力復印原理”，另一則是“運動復印原理”。工件和工具間的支持剛性或高或低，從加工壓力的控制功能來看，剛性低時比較容易實現(xiàn)脆性材料的延性磨削。但是，當剛性高時，如果機床同時具備很高的運動精度，磨削砂輪也有很高的形狀精度，而且磨粒切削刃高度分布均勻，則可以進行象研磨、拋光一樣的低接觸壓力磨削加工。塑性和脆性是硬脆材料的兩個基本性質(zhì).在常規(guī)條件下，硬脆材料其屈服強度與斷裂強度非常接近，因此加工時，磨粒和材料接觸區(qū)的應力首先達到斷裂強度，形成裂紋尖端，裂紋尖端擴展形成裂
