1 引言
陶瓷是最重要的無機(jī)非金屬材料之一。與金屬或有機(jī)高分子材料相比，陶瓷具有密度小、硬度高、絕緣性能好、耐熱、耐磨損、耐腐蝕等優(yōu)良性能以及磁、光、電、聲等特性，在國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。但是，傳統(tǒng)的陶瓷制備工藝還難以完全滿足精密零件的加工精度要求，必須通過后續(xù)再加工才能達(dá)到工程應(yīng)用所要求的尺寸精度和表面質(zhì)量要求。由于陶瓷具有硬、脆特性，致使其加工工藝性極差，是典型的難加工材料。加工難度大嚴(yán)重阻礙了具有優(yōu)良使用性能的陶瓷材料在眾多領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。
本研究項(xiàng)目提出一種新的陶瓷塑性切削機(jī)理，并建立了試驗(yàn)系統(tǒng)。如項(xiàng)目研究成功，將提供一種新的陶瓷材料加工方法，同時也有助于半導(dǎo)體材料、粉末金屬燒結(jié)材料、金屬間化合物等硬脆難加工材料加工問題的解決。
　　2 國內(nèi)外陶瓷材料加工方法研究概況
　　目前，對陶瓷材料的加工方法可分為采用傳統(tǒng)金屬切削原理的微小切深加工和采用光、電、聲、化學(xué)、離子弧等能量的特種加工。
　　1987年Kiso等應(yīng)用多晶金剛石刀具對Al2O3和Si3N4陶瓷進(jìn)行車削加工，由于加工中刀具作用于陶瓷材料時產(chǎn)生了很多不規(guī)則裂紋以及刀具嚴(yán)重磨損，致使加工表面很粗糙；加工結(jié)果顯示，陶瓷材料是通過脆性斷裂而不是剪切變形被去除的。1990年Nakasuji等發(fā)現(xiàn)，當(dāng)切深極其微小時，脆性材料的加工去除機(jī)理可能發(fā)生從切深較大時的脆性斷裂去除向塑性剪切去除的轉(zhuǎn)變，即脆性材料可以通過塑性剪切方式去除；通過用金剛石刀具對脆性陶瓷材料進(jìn)行微量車削實(shí)驗(yàn)，獲得了近似鏡面的加工表面。
　　磨削是應(yīng)用最多的陶瓷材料加工方法。與陶瓷的車削加工類似，當(dāng)切深較大時，陶瓷材料是通過脆性斷裂去除的，在已磨削表面常常有裂紋存在于亞表層。1987年Ito等發(fā)現(xiàn)當(dāng)切深及其微小時，陶瓷材料去除時可能發(fā)生塑性流動，在此工藝條件下磨削時，已磨削表面沒有產(chǎn)生裂紋。
　　雖然采用金剛石微小切深的車削或磨削可獲得良好的表面質(zhì)量，但材料去除效率低，刀具磨損大，使陶瓷材料的加工成本大大提高，占到陶瓷工件總成本的30％～60％（有時甚至高達(dá)90％）。另外，由車削或磨削產(chǎn)生的表面/亞表面損傷可能使陶瓷工件強(qiáng)度下降，性能降低。1997年Mochida等報(bào)道，陶瓷在高速磨削后強(qiáng)度下降了10％～20％。
　　陶瓷材料的特種加工方法包括超聲加工、電火花加工、化學(xué)輔助加工、激光加工、水噴射加工、等離子弧加工、聲發(fā)射微粒加工以及上述方法的組合加工等。這些特種加工手段極大地豐富了陶瓷材料的加工方法，促進(jìn)了陶瓷材料在工程中的應(yīng)用。但是，這些特種加工方法仍然存在材料去除效率低、加工成本高等問題。
　　盡管目前已經(jīng)開發(fā)出多種陶瓷加工方法，但低效率、高成本這一具有共性的缺點(diǎn)已經(jīng)嚴(yán)重阻礙了陶瓷材料的廣泛應(yīng)用。因此，開發(fā)高效率、低成本的陶瓷加工新技術(shù)有著十分重要的意義。
　　采用較大切深（相對于以前的微小切深而言）的陶瓷切削技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高效率、低成本加工的一條有效途徑。陶瓷材料的較大切深切削加工具有加工效率高、成本低的優(yōu)點(diǎn)，如果能實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的實(shí)用化，必將大大加快陶瓷材料在工業(yè)領(lǐng)域推廣應(yīng)用的步伐。但是，以延性金屬為加工對象的傳統(tǒng)金屬切削理論已不適用于硬脆材料的加工，必須研究硬脆材料的切削機(jī)理及規(guī)律，尋求新的合適的較大切深切削方法。
　　從切削理論可知，一個典型的完整切屑的形成必須經(jīng)過彈性變形、滑移和切離等幾個階段。滑移是塑性變形的基本形式，說明完整的切屑是在塑性狀態(tài)下形成的。形成完整的切屑時，工件的表面較完整、光潔，無明顯裂紋。而對于硬脆性材料（如工程陶瓷、光學(xué)玻璃等），采用傳統(tǒng)加工技術(shù)及金屬加工的工藝參數(shù)進(jìn)行加工時，只會導(dǎo)致脆性去除而沒有顯著的塑性變形，在超過強(qiáng)度極限的切削力作用下，材料會發(fā)生脆性斷裂。可見，只要能實(shí)現(xiàn)在塑性狀態(tài)下切削，就能減少或消除工件表面裂紋，切制出完整的表面，采用金剛石微小切深的車削或磨削可獲得良好的表面質(zhì)量就是一個好的例證。使脆性材料形成塑性變形，這正是解決陶瓷材料切削問題的切入點(diǎn)。塑性與脆性并非是絕對的，在一定的條件下（如微小切深）是可以相互轉(zhuǎn)化的。因此，切削陶瓷材料的關(guān)鍵是尋找脆性向塑性轉(zhuǎn)化的條件并促使其轉(zhuǎn)化，使脆性材料在塑性狀態(tài)下完成切削。
　　溫度對材料的塑性影響很大，一般情況下，陶瓷材料原子的活動能力隨著溫度的上升而增強(qiáng)，易于產(chǎn)生滑移，塑性提高。因此可通過對陶瓷材料加熱，使其在塑性狀態(tài)下切削。
　　早在1950年左右，Schmit、Armstrong和Krabacher就進(jìn)行了加溫切削的研究，并報(bào)道了隨著材料溫度的升高，材料剪切強(qiáng)度會降低，從而在切削時使切削力減小，刀具壽命增加。1966年Barrow利用電流加熱技術(shù)（electric current heating technique）在加工變形區(qū)域產(chǎn)生高溫，并觀察到材料強(qiáng)度降低會延長刀具壽命，而刀具與切屑界面溫度升高則會縮短刀具壽命，因此應(yīng)對溫度和切削工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化以提高刀具壽命。1986年Uehara和Takeshita通過氧乙炔焰加熱Si3N4陶瓷材料，在高溫狀態(tài)下實(shí)施切削，產(chǎn)生了連續(xù)切屑，但表面質(zhì)量較差。隨后，為了提高加熱效益，等離子弧和激光加熱被引入陶瓷材料加熱切削中。1990年Kitagawa和Mackawa采用等離子弧加熱切削玻璃和莫來石、Si3N4、氧化鋁、氧化鋯等工程陶瓷，在Si3N4陶瓷車削實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)溫度達(dá)到1050℃時，切削力降低，形成連續(xù)切屑，刀具磨損減小，但表面存在缺陷。1995年，Westkamper等利用激光加熱對Si3N4陶瓷進(jìn)行磨削實(shí)驗(yàn)，獲得了高于常溫磨削的材料去除率。1998年Rozzi等對激光加熱Si3N4陶瓷時加工區(qū)的溫度場分布進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)論證。2000年Rozzi等利用激光加熱對Si3N4陶瓷進(jìn)行車削實(shí)驗(yàn)，將Si3N4陶瓷加熱至1151～1330℃范圍內(nèi)進(jìn)行切削試驗(yàn)；在1151℃以下溫度范圍內(nèi)切削時為脆性斷裂切削；當(dāng)溫度升高到1151℃以上時，切屑逐漸變?yōu)榘脒B續(xù)形態(tài)；當(dāng)溫度達(dá)到1330℃時，切屑成為連續(xù)形態(tài)，呈現(xiàn)出塑性變形切削狀態(tài)；但高的溫度梯度影響了表面質(zhì)量和強(qiáng)度。2004年Rebro等利用激光加熱對莫來石進(jìn)行車削實(shí)驗(yàn)，通過漸進(jìn)升溫方法來消除溫度梯度，從而消除熱應(yīng)力，但效果不明顯。
　　國內(nèi)也有從事陶瓷材料加熱切削研究的報(bào)道，例如：哈爾濱工業(yè)大學(xué)王揚(yáng)教授對Si3N4、ZrO2陶瓷的激光加熱輔助車削做了非常有意義的工作，他運(yùn)用材料學(xué)中的位錯理論闡釋了激光加熱輔助車削的作用機(jī)理，利用有限元分析方法建立了陶瓷材料加熱后表面溫度場的物理、數(shù)學(xué)模型。華中科技大學(xué)在陶瓷和復(fù)合材料的激光加熱輔助切削方面作了初步工作。上海交通大學(xué)的阮雪榆教授、華南理工大學(xué)的葉邦彥教授、南京航空航天大學(xué)、廣西工學(xué)院、沈陽航空學(xué)院等對工件的激光或等離子弧加熱輔助切削進(jìn)行了相關(guān)研究。
　　對以上國內(nèi)外陶瓷加熱切削實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析后可知，由于等離子弧、激光、氧乙炔焰加熱時熱量的傳遞是由表及里，熱量要通過陶瓷導(dǎo)熱才能到達(dá)陶瓷材料內(nèi)部，但大部分陶瓷的導(dǎo)熱系數(shù)很低，從而在材料的被加工區(qū)會形成很大的溫度梯度，易產(chǎn)生大的熱應(yīng)力，導(dǎo)致亞表層損傷，材料強(qiáng)度降低。在加工過程中產(chǎn)生的切屑也會妨礙陶瓷表面吸收熱量。此外，等離子弧、激光、氧乙炔焰加熱設(shè)備昂貴、技術(shù)復(fù)雜，這也是近年來陶瓷等離子弧、激光、氧乙炔焰加熱塑性切削技術(shù)僅局限于實(shí)驗(yàn)室研究而難以在生產(chǎn)實(shí)踐中推廣應(yīng)用的原因。因此，尋求低成本的均勻加熱技術(shù)就成為陶瓷加熱塑性切削技術(shù)實(shí)用化的關(guān)鍵。
　　微波是一種頻率范圍300MHz～3000GHz的電磁波。作為一種新型能源，微波電磁能量能穿透介質(zhì)材料，傳送到有耗物質(zhì)的內(nèi)部，并與物體的原子、分子互相碰撞、摩擦，從而使物體發(fā)熱。由于微波加熱具有內(nèi)外同熱、熱應(yīng)力小、效率高、加熱速度快、成本低、具有選擇性等特點(diǎn)，因此被日益廣泛地應(yīng)用于農(nóng)作物干燥與烘烤、陶瓷燒結(jié)與焊接、化學(xué)合成與消解、刻蝕鍍膜、手術(shù)殺菌、材料改性等方面。例如：微波手術(shù)刀、微波手術(shù)鉗是將微波能量應(yīng)用于外科手術(shù)的一種新型醫(yī)療器械，即將微波功率源通過傳輸線與手術(shù)刀具相連，使微波能量經(jīng)傳輸線沿刀具進(jìn)入人體手術(shù)部位，切開人體組織和止血；微波手術(shù)刀具是將微波同軸天線的內(nèi)導(dǎo)體適當(dāng)延長，根據(jù)手術(shù)需要制成一定形狀的刀具，微波手術(shù)刀、手術(shù)鉗具有止血效果好、刀口不碳化、滅菌、防止手術(shù)感染等特點(diǎn)，且刀具體積小，操作靈活，特別適合腫瘤切除、器官修補(bǔ)、各部位止血等外科手術(shù)。
　　特別需要強(qiáng)調(diào)的是，以色列的E. Jerby等在著名的《SCIENCE》雜志（18 October 2002，Vol.298）上發(fā)表文章，提出采用微波鉆（Microwave Drill）對陶瓷、玻璃等非導(dǎo)電材料進(jìn)行鉆孔加工，其原理是利用微波天線定向加熱陶瓷，使陶瓷材料被加工區(qū)局部熔融，然后將微波天線插入熔融區(qū)成型形成孔洞。受該思想的啟發(fā)，本研究項(xiàng)目將微波鉆方法擴(kuò)展到車、銑、刨等其它機(jī)加工方式，用車刀、銑刀或刨刀代替微波天線，在陶瓷材料加工過程中，刀具與工件接觸準(zhǔn)備切削的同時微波電磁能量通過刀具天線定向到被加工區(qū)實(shí)施加熱，并將溫度控制在陶瓷熔點(diǎn)之下，只要陶瓷被加工區(qū)局部能發(fā)生從脆性斷裂到塑性變形的轉(zhuǎn)變而不是熔融，就能用傳統(tǒng)的剪切切削原理進(jìn)行切削。該方法將加熱與切削裝置合為一體。此外，即使在加工中產(chǎn)生了微裂紋或應(yīng)力，也會因微波對陶瓷材料的退火作用而消除，即微波切削與微波退火能同時發(fā)生作用。
　　微波塑性切削與等離子弧、激光、氧乙炔焰加熱切削存在很大的不同。等離子弧、激光、氧乙炔焰加熱切削是利用玻耳茲曼熱效應(yīng)，即通過提高陶瓷加工區(qū)局部溫度，使陶瓷局部原子的活動能力增強(qiáng)，產(chǎn)生滑移來提高塑性；微波塑性切削則是利用交變的微波電磁能量與陶瓷材料原子、分子相互碰撞、摩擦，產(chǎn)生滑移來提高塑性，熱量只是微波與陶瓷材料相互作用的副產(chǎn)品。因此，如能提高微波與陶瓷材料的相互作用使加工區(qū)塑性化，同時避免產(chǎn)生大量熱量，將有可能實(shí)現(xiàn)低溫塑性切削。由于傳統(tǒng)的等離子弧、激光、氧乙炔焰加熱裝置與刀具分離，加熱區(qū)與刀具相互影響，且因切屑影響加熱效果，需用氣體吹屑，從而影響加熱的均勻性和效率；而微波加熱可以形成微波天線與刀具一體化，局部加熱區(qū)與切削區(qū)一致，從而可能提高加熱效率。此外，等離子弧、激光、氧乙炔焰加熱能促使陶瓷材料晶粒長大，造成加工表面粗糙度變大；而從微波燒結(jié)中得知，微波加熱能抑制晶粒異常生長，因此加工后表面質(zhì)量較好。而且微波加熱裝置比等離子弧、激光、氧乙炔焰加熱裝置便宜得多。
　　綜上所述，采用微波加熱切削可望成為一種新的陶瓷加工方法，可望解決等離子弧、激光、氧乙炔焰加熱切削熱應(yīng)力大、價(jià)格昂貴等問題，并可望通過微波退火提高加工表面質(zhì)量，從而實(shí)現(xiàn)高效率、高質(zhì)量、低成本加工陶瓷材料的目標(biāo)。
　　除了陶瓷材料以外，半導(dǎo)體材料（如硅、砷化鎵等）、粉末金屬燒結(jié)材料（如新型燒結(jié)鋼）、金屬間化合物（如Fe3Al等）也屬于硬脆性材料，也存在難加工的問題，其加工困難與陶瓷加工類似，存在許多共性。因此，本項(xiàng)目的研究除了可為陶瓷加工提供新理論、新方法外，還可推廣應(yīng)用于其它硬脆材料如半導(dǎo)體材料、粉末金屬燒結(jié)材料、金屬間化合物等加工問題的解決。
　　3 微波塑性切削陶瓷研究工作概況
　　我們開發(fā)了用于陶瓷切削的微波的產(chǎn)生、傳輸、定向、天線與刀具一體化以及加工中溫度和切削力測量等實(shí)驗(yàn)裝置。微波電路部分主要由連續(xù)波工作控制電路、脈沖調(diào)制波工作控制電路、微波調(diào)制器、微波振蕩器、微波輸出電纜、天線以及供電電源等組成。
　　微波源采用2.45GHz可調(diào)功率的磁控管，其振蕩受微波調(diào)制器調(diào)制，產(chǎn)生連續(xù)的或脈沖調(diào)制的微波振蕩功率，經(jīng)過E-H調(diào)諧器進(jìn)行阻抗匹配，通過波導(dǎo)連接到同軸天線上。同軸天線的內(nèi)導(dǎo)體做成車刀的形狀，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)天線結(jié)構(gòu)，形成能量較集中、強(qiáng)度較均勻的微波輻射到工件加工區(qū)實(shí)施加熱。通過反射板發(fā)射和天線定向作用，提高控制微波方向性的能力，將微波對操作者的輻射控制在安全標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)。
　　整個微波裝置采用冷卻水管散熱，保障微波裝置的充分散熱和可靠工作。在陶瓷材料加工過程中，刀具與工件接觸準(zhǔn)備切削前，微波電磁能量通過刀具天線定向到被加工區(qū)實(shí)施預(yù)熱，當(dāng)加工區(qū)溫度達(dá)到加工區(qū)陶瓷材料局部發(fā)生從脆性斷裂到塑性變形的轉(zhuǎn)變而不是熔融時，即可將刀具切入陶瓷材料實(shí)施切削，在切削的同時，刀具的熱影響區(qū)對待加工區(qū)實(shí)施預(yù)熱，并對已加工區(qū)實(shí)施退火。
　　切削力通過三軸測力平臺進(jìn)行測量。切削溫度通過高溫儀進(jìn)行測量。由計(jì)算機(jī)對瞬時溫度進(jìn)行精確控制，通過調(diào)節(jié)微波功率強(qiáng)度來防止陶瓷的局部熔融，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的塑性切削。
　　由于微波與陶瓷材料相互作用，使得切削時工藝參數(shù)的選取會發(fā)生一些變化。通過研究微波刀具的材料和幾何尺寸（如前角、后角等），選取適合陶瓷材料切削的刀具參數(shù)。如果刀具材料是導(dǎo)電體，則可直接做成天線的內(nèi)導(dǎo)體；如果刀具材料是絕緣體，則需在刀柄部分鍍金屬膜以形成導(dǎo)體。由于切削力集中于刀具刃口附近，為了保護(hù)刀刃，應(yīng)提高刀頭強(qiáng)度，選取較小的正值前角、后角及刃傾角；為了改善加工表面粗糙度，在刃磨刀具時應(yīng)選取較小的正值主偏角、副偏角和較大的刀尖圓弧半徑。運(yùn)用正交工藝試驗(yàn)原理，篩選出優(yōu)化的車削用量參數(shù)，以提高生產(chǎn)率和刀具耐用度，保證工件加工質(zhì)量。根據(jù)切屑形狀分析不同微波能量下陶瓷材料從脆性到塑性的轉(zhuǎn)變規(guī)律；在陶瓷材料塑性狀態(tài)下，研究不同加工參數(shù)如切深、進(jìn)給率等的塑性切削規(guī)律。

　　來源：《工具技術(shù)》 作者：華中科技大學(xué) 汪學(xué)方，劉偉欽，張鴻海等