硬脆材料的延性磨削技术

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1、硬脆材料的延性磨削技术1.概述随着现代高新技术的发展，具有优良性能的硬脆材料的加工已成为普遍关注的新焦 点。硬脆材料在电子、光学、仪器仪表、航天航空、民用等行业用来制造高技产品的前景 十分广阔。如大规模集成电路基片的加工，要求具有极小的不平度和极低的表面粗糙度， 且加工表面应无杂质和缺陷。但是先进陶瓷、单晶硅、人工晶体、红蓝宝石、石材等硬脆 材料在传统的材料去除方式下不能达到要求。由于靠脆性断裂来去除材料引起表面损伤。硬脆材料的压印实验证明：即使是硬脆材料，在很小的载荷作用下，仍会产生一定 的塑性变形，基于“压痕断裂模型”的理论分析，磨粒的切削深度小于临界切削深度时。 可以实现硬脆性材料的延性

2、磨削加工。1980年代前半期，欧美等国的研究人员以切削方面 的超精密切削加工为基础，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条件下，玻璃和陶瓷等脆性材料能用金刚石砂轮，在塑 性方式下加工，产生无裂纹无缺陷的表面。这种加工称为延性磨削加工技术。主要是针对 脆性材料而言，致力于追求无损伤的磨削。切屑的形成与磨削金属等塑性材料类似，磨削 后表面和亚表面不产生裂纹，是一种损伤极小的磨削方式。这对于复杂且高精度的光学零 件和陶瓷零件的加工具有很重要的意义。2延性磨削技术的机理2.1延性转变的可行性（1）现象分析硬脆材料的延性域加工思想来源于压痕和研磨等过程中出现的现象：当采用尖锐压 头（磨粒

3、）压入玻璃等硬脆材料表面时，压应力的作用使压头正下方的试件材料发生不可逆 的塑性流动，如果压头载荷足够小，就不会出现脆性断裂;采用微细粒度的磨粒对玻璃等硬 脆材料进行研磨时，如果磨粒的切深足够浅，所生成的沟槽非常光滑，类似于研磨塑性材 料时所生成的沟槽;对磨粒进行破碎时，磨粒尺寸越小，将磨粒磨碎越困难。这些现象使人 们认识到在硬脆材料加工时，存在着“尺寸效应”，当材料的去除体积极小时，即使对玻 璃等硬脆材料，塑性变形将先于脆性断裂发生。因此，不产生脆性裂纹的、低损伤的硬脆 材料加工是可能的。（2 ）力学原理在研究陶瓷磨削过程时，一般都采用“压痕断裂力学”模型来分析。压痕断裂力 学模型是把陶瓷磨

4、削中磨粒与工件的相互作用看作小规模的压痕现象（见图1）。当压头 （磨粒）压入材料表面时，压应力的作用使压头正下方的试件材料发生非弹性流动。如果 载荷不大，则卸载后压痕保留，材料无裂纹产生，表明脆性材料也存在一个塑性变形的区 域。从陶瓷材料的磨削过程来看，控制材料所受载荷就可以实现材料的延性域去除。图1 弹/塑性压痕模型从加工过程中所需能量角度来看，由于产生塑性变形所需要的能量小于产生脆性断 裂的，当磨削深度很小时，加工所需的能量就很小，塑性加工就成为可能，因而控制磨削 深度可实现延性域加工。从材料的去除率来看，当采用磨削加工时，材料去除率可达到0.1mm3/(mm.s)以上, 而抛光时该数值低

5、于10-3mm3/(mm.s),如图2所示。显然，在磨削和抛光之间的中间区域 为陶瓷类脆性材料的塑性加工提供了很大的空间。briii-ilinpMicro10-1010.1 IO 10 心】alrfiala! r|/(rnikLmm* )图2 磨削所能达到的材料去除率硬脆材料的压印实验证明：即使是硬脆材料，在很小的载荷作用下，仍会产生一定 的塑性变形，而且产生裂纹的长度与施加的载荷存在下列关系：P=a Ha 2式中，P为垂直于 材料表面施加的载荷；a为裂纹长度的一半；H为材料的硬度；a为与压头几何形状相关的 常数。当载荷增加到一个临界值Pc时，材料将由塑性变形向脆性破坏转变，在材料内部和 表面

6、产生脆性裂纹。Pc值与材料硬度和断裂韧性的关系为Pc=A K4/H3式中，H为材料的硬c度；Kc为材料的断裂韧性；入为一个综合影响因子。通过压印实验可以得出结论：在一定 的条件下完全可以实现硬脆材料的塑性加工。实现延性域磨削的必要条件是脆性域向延性域的转变，即从脆性裂纹的优先扩展转 变到塑性流动的优先出现。2.2延性磨削的材料去除机理当磨削硬脆性材料，如功能陶瓷、玻璃等光学材料、单晶硅等半导体材料时，传统 的材料去除方式是脆性断裂，即磨粒压入工件表面，在应力的作用下，工件表面产生横向 裂纹、中位裂纹、径向裂纹，横向裂纹扩展、交叉或直达工件表面，使一部分材料脱离工 件表面生成切屑。中位裂纹引起亚

7、表面损伤。延性域磨削中，磨屑是以塑性流动的方式去 除的，表面和亚表面不产生裂纹。实现脆性材料的延性方式磨削主要基于两种原理，一是“压力复印原理”，另一则 是“运动复印原理”。工件和工具间的支持刚性或高或低，从加工压力的控制功能来看， 刚性低时比较容易实现脆性材料的延性磨削。但是，当刚性高时，如果机床同时具备很高 的运动精度，磨削砂轮也有很高的形状精度，而且磨粒切削刃高度分布均匀，则可以进行 象研磨、抛光一样的低接触压力磨削加工。塑性和脆性是硬脆材料的两个基本性质在常规条件下，硬脆材料其屈服强度与断 裂强度非常接近，因此加工时，磨粒和材料接触区的应力首先达到断裂强度，形成裂纹尖 端，裂纹尖端扩展

8、形成裂纹，最后断裂生成磨屑，加工表面损伤严重，亚表面残留一定深 度的裂纹，见图3(a)。当被去除材料的未变形厚度减小一临界值以下，就会出现脆性一延 性转变，磨粒和硅片接触区的应力首先达到剪切强度极限，产生塑性流动，进而形成切 屑，从而实现延性域加工，见图3(b)非晶层相变区图3脆性材料的两种材料去除机理示意图(a)脆性断裂去除(b)塑性流动去除3延性磨削的特点实现延性域磨削的条件是砂轮上磨粒的切削深度小于临界切削深度。延性域磨削中，磨屑是以塑性流动的方式去除的，表面和亚表面不产生裂纹，损伤 层的深度只有几百个纳米。实现延性域磨削极其困难，不仅需要高精度、高刚度、的机床，还需要高高性能的 砂轮。

9、延性域磨削技术主要是针对脆性材料而言，致力于追求无损伤的磨削。在磨削脆性材料时，切屑的形成与磨削金属等塑性材料类似，切屑通过剪切的形式被磨粒从基体上切 除下来。磨削后的表面和亚表面没有裂纹形成，也没有脆性剥落时的凹凸不平现象产生， 避免了亚表面裂纹的发生，是一种损伤极小的磨削方式，在陶瓷、玻璃、光学和半导体领 域有广阔的应用前景。4延性磨削关键技术硬脆材料磨削加工的基础技术主要包含工具技术、机床技术、测试技术以及环境 技术等。从理论分析和试验可以知道：影响脆性材料塑性域磨削的因素有很多，例如砂轮速 度、工件速度、砂轮平均磨粒尺寸、磨削深度等。另外，为使脆性材料以稳定的塑性方式 去除，对机床主轴

10、回转精度、刚度、进给控制系统的分辨率、机床导轨的运动精度、砂轮 修整等的要求都非常高。其中在硬脆材料延性域磨削的相关研究中，各材料的临界切深是最令人感兴趣的问 题，因为要实现材料的延性域磨削，就必须将切削深度控制在临界切深以下。临界切削深 度是表征延性域磨削最重要的参数指标，是设计延性域磨床和实现延性域磨削最关键的基 准值。临界切深受以下几个因素影响:材料力学性质如硬度、弹性模量、断裂韧性、表面比 能等;材料的晶体结构以及沿结晶面上的切削方向；磨削条件如磨削速度、磨粒尖端形状、磨削温度、冷却润滑条件等。5应用脆性材料的磨削，许多学者通过研究已经得到了研抛的加工面。宫下等通过具有微 量进给的立式

11、平面磨床磨削水晶，得到像研抛面那样的平面，达到了 PV2nm的表面粗糙 度。难波等通过具有热膨胀系数很低的玻璃陶瓷主轴的超精密平面磨床，磨削光学玻璃 NBFl得到Rmax5nm的表面粗糙度。为了进一步提高加工精度，日本吉田庄一郎等使用超精密加工测量机进行磨削试验。 加工时所使用的超精密加工测量机，有x、z的直线轴和回转轴C构成，x、z拖板，工件轴 和砂轮轴使用空气静压轴承。为了尽可能降低振动，在修正动平衡的同时，采用了花岗岩 平板和悬重型减震器，x、z轴使用摩擦驱动，靠激光反馈，最小进给单位为O.Olp m。磨削 砂轮的振动极小，使用这些装置同时利用三轴控制超精密磨削球面透镜（BK7，外径32

12、mm， 曲率半径25mm），在工作整个区域内实现了延性方式磨削加工。在本机床上的测量上，工件 的形状精0.5p m,靠激光干涉仪得到的真球度为0.5p m,表面粗糙度为Rmax0.05p m。CUPE进行了 BK7玻璃和Zerodur的延性磨削技术的研究，发现临界切深是lOTOOnm。使 用的是单点金刚石，在超精密车床进行，机床主要特性是（1）主轴的高精度化（振摆10nm 以下）、高刚度化（轴向刚度为650N/p m），（2）使用CPE形式1656/3的标准牵引摩擦驱 动的高精度走刀（走刀速度在6500mm/s下，速度变动0.1%以下），（3）使用压电执行装置 的1nm分辨率的定位。但是这只能作为理论研究，因为单点切削效率低，改善这一弊病的手 段是应用延性方式磨削。因此，在CUPE，开发了超高精度的CNC磨床。磨床床身材料使用GranitanS100，具有0.1p m的分辨率的定位精度，而空气静压 轴承具有以下的能力，砂轮轴精度：径向和轴向以起为0.05p m以下，刚度为175MN/m, （2）水冷砂轮轴（0.1C）, （3 ）电机的纯传递力矩的联轴器，（4）高刚度空气导轨工作态的 精度为0.1p m/150mm，（5）走刀驱动用联轴器等，其他重要光学系统是温度控制0.1C, 冷却液用过器lp m以下等。