脆性材料塑性域超精密加工的研究现状

魔神

    引言

随着现代科学技术的发展，脆性材料在现代高技术行业的诸多领域，特别是在航空航天、 光学及电子领域中具有十分重要的作用，而且 往往对工件的加工精度和表面质量有非常高的要求。但是到目前为止，脆性材料的加工仍然 是一件困难的事情。因为它们最突出的一个特 性就是材料的脆性高，断裂韧性低，材料的弹性极限和强度非常接近。当材料所承受的载荷 超过弹性极限时就发生断裂破坏，在已女口工表 面产生裂纹和凹坑，严重影响其表面质量和性 能 [12,13] ，所以脆性材料的可加工性极差。过去， 人们一直沿用古老的研磨、抛光工艺对脆性材 料进行光整加工。这些加工方法生产效率低，加工精度不易保证，而且加工过程不易实现计算 机控制，对于曲面形状复杂的工件甚至无法加 工，因此已经远远不能适应现代高科技发展和 高效率的要求。

近年来，人们对峙性材料的加工做了大量 的探索和尝试。待别是随着科学技术的高速发 展，金刚石刀具和超精密机床的制造技术都已发展到极高的水平，使得对脆性材料进行超精 密切削加工成为可能。单纯通过金刚石切削脆 性材料表面是近十几年来才发展起来的新兴技术，它主要是通过对脆性材料实现塑性域的超 精密切削来获得高质量表面。这种方法由于具 有生产效率高、生产过程易于控制、可加工曲面形状复杂的工件等优点，有着十分广泛的应 用前景。本文对脆性材料超精密加工的研究现 状进行了全面的总结，并分析了其中存在的一些问题，希望对脆性材料塑性域加工的进一步 研究有所启示。

1 尖锐压头对脆性材料印压实验的脆塑变形理论

用锋利的金刚石刀具对脆性材料的超精密 车削的可能性是以脆性材料在尖锐的金刚石压 头下能够产生塑性变形为基础的。在过去的几十年里，许多学者对各种硬脆材料进行了大量 的印压实验，即以一定的垂直力将金刚石压头 压入材料内部一定的深度，观察材料的变形情况。在印压实验的加载到卸载一个完整的循环 中，破坏裂纹由产生到扩展的过程如图1所 示 [1] 。

从图l可以看出，即使是脆性材料，在很 小载荷的作用下仍然会产生一定的塑性变形。 当载荷增加时，材料将由塑性变形方式向脆性破坏发生转变，在材料的内部和表面上产生脆 性裂纹。在这个转变过程中，当裂纹刚好产生 时所施加的垂直载荷称为临界载荷，此时压头压入的深度称为临界压深。这两个概念对描述 脆性材料在外力作用下何时由塑性变形方式向 脆性破坏发生转变有很重要的意义。临界压深

(a)初始加载：接触区产生一永久塑性变形区，没有任何 裂纹破坏。变形区尺寸随载荷增加而变大。

(b)临界区：载荷增加到某一数值时，在压头正下方应力 集中处产生中介裂纹(MedianCraclE)。

(c)裂纹增长区：载荷增加，中介裂纹也随之增长。

(d)初始卸载阶段：中介裂纹开始闭合，但不愈合。

(e)侧向裂纹产生：进一步卸载，由于接触区弹塑性应力 不匹配，产生一个拉应力叠加在应力场中，产生系列向侧边扩 展的横向裂纹(LateralCrack)。

(f)完全卸裁：侧向裂纹继续扩展，若裂纹延伸到表面则形成破坏的碎屑。 的计算公式如(1)所示 [2,3] ：

式中，dc是临界压深，E是材料的弹性模量，H 为材料硬度，Kc是材料的断裂韧性，ψ是一个 和压头的几何形状有关的常数。

在对脆性材料的印压过程中，中介裂纹总 是首先产生的，而且它垂直于材料表面向内部 扩展，对材料的破坏最为严重，所以学者们对中 介裂纹产生的长度和所施加的垂直载荷之间的 关系进行了详细的研究，得到如下关系式[4]:

式中，c表示裂纹长度，P为所施加的垂直载荷， β是取决于压头向何形状的常数，φ是压头的 半顶角。

正是由于人们从印压和刻划实验中认识 到，即便是脆性材料，在压入深度很小时，也会 产生塑性变形，而且裂纹产生的长度和施加载 荷存在一定关系，于是才提出了已裂纹不扩展 到已加工表面的脆性材料的延性域切削方式。

2 脆性材料超精密磨削

超精密磨削技术是近期发展起来的一种 新的脆性材料加工方法，它是在高刚度超密磨 床上，用金刚石砂轮对材料表面进行磨削加工。 Evans和Marshall通过用金刚石压头刻划过玻 璃等脆性材料表面来模拟金刚石砂轮上的微小 磨粒的切削过程，当所施加载荷大于临界荷时，磨粒作用下的脆性裂纹系统如图2所示 [5] 。实 现对脆性材料的超精密磨削，关键是使材料以 塑性变形方式去除。在磨粒的作用下，材料表面刚好产生微裂纹，磨粒切入的厚度叫临界切削 厚度。有许多学者对磨削条件下脆性材料的脆 塑转变进行了研究 [6-8] ，美国学者T．G．bifano 在对玻璃、陶瓷等脆性材料做了大量的磨削实 验的基础上，得到了超精密磨削中的临界切削 厚度公式 [6] ：

式中，dc是临界切削厚度，E是材料的弹性模 量，H为材料硬度，K是材料的断裂韧性。

日本学者Naoya lkawa等人用不同粒度的 磨粒对单晶硅、铌酸锂表面进行了印压实验，发 现不同粒度的磨粒对材料表面的影响是不同 的 [9] 。因此有理由相信，在超精密磨削过程中， 采用的金刚石砂轮磨粒粒度的大小必然会影响 到临界切削厚度。但是，目前还缺少对这方面的 研究。

80 年代后期，美国北卡罗莱那州立大学精 密工程中心研制成功一台超精密磨床，机床主 轴刚度为50MN／m。在该机床上用经过特别精密修整的金刚石砂轮对单晶硅、单晶锗、非晶玻 璃等多种光学脆性材料进行磨削，可以加工出 没有裂纹的光滑表面 [10] 。另外，英国相日本也都自己研制成功了超精密磨床，其中英国的克 兰菲尔德精密工程中心的磨床是世界上主铀刚 度最大的机床，日本的丰田精机公司开发出了用陶瓷材料研制的零膨胀系数主轴的超精密磨 床。他们也对硬脆材料进行了磨削加工，材料表 面质量要优于用传统的抛光方法加工得到的光学表面。但是，这种加工技术中存在以下问 题 [11,12] ：如何保证砂轮上的磨粒分布均匀、高 度一致：由于磨粒非常微小，易于产生磨屑堵塞砂轮而导致磨削力增加，在工件表面产生裂纹。

为了解决上述问题，日本物理化学研究所大森整等人于1987年提出了ELID磨削技术。 其基本原理是利用在线的电解作用对金属基砂 轮进行修整，即在磨削过程中在砂轮和工具电极之间浇注电解磨削液并加上直流脉冲电源， 使作为阳极的砂轮金属结合剂产生阳极溶解效 应而逐渐去除，将不受电解影响的磨料颗粒突出砂轮表面，从而实现对砂轮的修整，在加工过 程中能始终保持砂轮的锋利性。

ELID磨削技术的出现，成功地解决了金属 基超硬磨料砂轮修整的难题，同时在线电解的 微量修整作用使超细粒度砂轮在磨削过程中能 保持锋锐性，为实现稳定的超精密磨削创造了 有利条件。日本在研究中使用的砂轮粒度已达 5nm，磨削表面粗糙度Ra小于1nm。

ELID 磨削技术在美国、英国、德国等国家 也得到了重视和研究应用，并且被用来对脆性 材料表面进行超精密加工。在国内，哈尔滨工业大学从1993年开始置EID磨削技术的研究工 作，目前对硬质合金、陶瓷、光学玻璃等脆性材 料实现了镜面磨削，磨削表面粗糙度数值与在同样机床条件下普通砂轮磨创相比有大幅度的 提高，部分工件的表面粗糙度Ra已达纳米级， 其中，对硅微晶玻璃的磨削表面粗糙度可达Ra 0.012μm。这表明ELID磨削技术可以实现对脆 性材料表面的超精密加工，但是加工过程中仍 存在砂轮表面氧化膜或砂轮表面层未电解物质被压入工件表面，形成表面层釉化和电解磨削 液的配比等问题，这些问题都将严重影响加工 表面质量，还有待于进一步的研究。

3 脆性材料延性方式超精密车削

从1987 年开始，美国卡罗莱那州立大学的 学者Blake和Scattergood等人首先对脆性光学 材料单晶锗进行了一系列的超精密车削实验研究，并成功地实现了脆性材料塑性超精密车创， 其表面粗糙度Ra达到8nm [13] 。Blake等人的这些切削首次提出了用圆弧刃金刚石车刀切削材 料时的切削截面几何形状和临界切深之间的联 系，提出了如图3所示的脆塑转变切削模型。图中，f是进给量，z表示刀尖中心到脆塑转变区 域之间的距离，yc是裂纹的长度，t是圆弧刃上 一点的切削厚度。

由于使用的是圆弧刃刀具，从刀尖到待加 工表面，有效切削厚度由零增加到最大值。切削 厚度达到某一临界值dc时，材料开始产生断裂破坏；而当切削厚度小于该临界值时，材料的去 除方式主要是塑性变形方式。假设在临界值dc 处断裂破坏产生的裂纹扩展深度为yc，如果裂纹扩展深度yc没有波及加工表面，就可以得到 光滑的表面。而在圆弧面上产生的断裂破坏部 分，将会在以后的切削过程中切除。

从这个切削模型中可以看出，所谓对脆性 材料的塑料域车削并非在整个切削过程中材料 都要以塑性方式切除，而是仅仅在靠近刀尖附近的部分材料是以塑性变形方式去除，而其他 大部分材料还是以脆性断裂的方式切除，这是 脆性材料车削的一个重要待征。在这个过程中，进给量的作用非常重要，临界切削厚度dc。相对 于车刀圆弧刃的位置和进给量的取值大小密切 相关。增大进给量，临界切削厚度dc将沿着车刀圆弧刃下移，裂纹就容易扩展到已加工表面。 他提出了临界切削厚度的计算公式 [13] ：

式中，f是进给量，R是车刀圆弧半径。

如图3所示，因为裂纹扩展深度yc对形成 的圆弧面有复映作用，考虑到yc的影响，对上 式做了如下改进： [14] ：

Blackey对单晶锗和单晶硅进行了多组切 削实验，实验结果表明裂纹扩展深度yc约为临 界切削厚度dc的3-10倍。

为了提高分析精度，Blackey等人进一步用 扫描电子显微镜研究了金刚石切削单晶锗的切 屑形貌。在刀尖附近切下的切屑较薄，呈连续带状，是塑性变形；远离刀尖部分的切屑比较厚， 呈现不连续的破碎状态，主要是脆性变形。在切 屑上可观察到明显的脆塑转变分界线，Blackey 给出了如下关系式 [5] :

式中，Wductile是切屑塑性变形区域的宽度。通过 上式得到的临界切削深度dc的精度又有了进 一步的提高。但是以上的分析都是建立在实验 测量数值的基础上的，受实验条件的影响很大。

1990 年，日本学者Nakasuji等也对脆性材 料车削过程中的脆塑转变进行了研究 [16] 。他们 对临界切削厚度的研究方法和结果同B1ackey 等人的结果基本一致。但是同时他们还发现了 单晶锗车削表面的表面粗糙度呈现明暗相间的 扇形分布特征，这是由于单品材料的各向异性特征造成的。在对单晶硅的(100)晶面，沿＜ 110＞和＜100＞晶向进行直角切削的试验也表 明，沿不同品向进行车削时切削力的差异非常大，这必然会对材料的表面质量造成影响。 Takayuki Shibata用品向对滑移系产生的影响 来解释造成这种扇形面的原因 [20] ，但是脆性材 料在车削过程中必然会产生脆性破坏，所以单 纯从塑性滑移来解释有一定的片面性。

由于对脆性材料超精密加工中的切削厚度 非常小，刀具的刃口半径和切削厚度基本处于 同一数量级，所以刃口半径对切削过程的影响 已不容忽视。虽然已经有一些学者对刃口半径对切削力的影响进行了研究，但是目前对刃口 半径对脆性材料超精密车削脆塑转变的影响的 研究仍是一片空白，需要进一步的研究。

KiovanolaJH 在对玻璃进行车创时发现， 刀具采用-30°前角易于形成连续带状切削，实 现塑性加工。以后人们对单晶硅、锗等材料的超精密车削过程中也都发现采用较大的负前角 有利于实现脆性材料的塑性域加工。日本学者 采用给工件表面施加一个负压力的方法进行车削，在精密车床上实现了对脆性材料的塑性域 加工。但是学者们对采用较大负前角金刚石车 刀易于实现脆性材料的塑性域加工没有给出很 好的解释。

4 结束语

从脆性材料塑性域超精密加工的研究现状 可以看出，脆性材料的超精密加工研究取得了 重要进展，对切削过程有比较深刻的认识。但是人们对脆性材料在超薄切削条件下发生脆— 塑转变的机制缺乏深入的研究，因此对临界切 深的确定还只是建立在实验测量的基础上，缺少理论的指导。同塑性材料超精密加工的研究 水平相比，脆性材料塑性域超精密加工的研究 尚属刚刚起步，其中仍然存在许多问题值得探讨、研究。