李 霞

（包头钢铁职业技术学院数控工程系，内蒙古 包头 014010）

1 引言

工程陶瓷相对于金属材料因为具有高硬度、高强度、高耐磨性、耐腐蚀、低热膨胀系数、绝缘等优良特性被广泛应用于航空航天、军事设备、精密机械以及特殊工况领域[1-3]。陶瓷材料本身特点导致其加工成本高，应用范围较金属材料较窄，由于陶瓷材料的硬脆特性，磨削成为其主要加工方式。磨削不同于其他机械加工，磨削过程中由于磨粒的连续切削作用导致磨削功率大，且多数都以热的形式进行转化，短时间内在磨削区产生大量的磨削热，对工件表面极易造成烧伤、裂纹和残余应力[4]。而残余应力作为评价工件表面完整性的标准之一对工程陶瓷零件的断裂应力、弯曲强度、疲劳强度及耐腐蚀能力都存在影响。工程陶瓷作为典型的硬脆性材料，零件的断裂应力和韧性对表面应力状态比金属敏感的多，且残余压应力与拉应力会对零件的断裂韧性和裂纹扩展具有重要影响。

近些年来，国内外学者对陶瓷等硬脆材料磨削加工后的残余应力进行了部分研究。文献[5]综述了工程陶瓷预应力磨削、超声辅助磨削、电火花以及激光等特种加工对表面残余应力影响的研究进展，重点阐述了上述加工对陶瓷表面残余应力的影响机理和分布规律。文献[6]通过自行研制的超声辅助磨削实验台对工程陶瓷材料进行了磨削实验，得出了超声辅助磨削与普通磨削对工件表面残余应力的影响机制与变化情况。文献[7]通过有限元仿真与实验相结合的手法对玻璃陶瓷的残余应力进行了研究，通过压痕断裂力学理论和磨削力的推导公式对磨削残余应力的进行预测，得出了不同磨削参数对磨削后工件残余应力的影响规律。文献[8]在磨削温度和残余应力的实验中提出了一个物理模型，以分析和定量的方式预测起始温度作为残余应力的函数，使用Timoshenko热应力理论分析计算热应力，然后通过磨削实验显示了该模型在给定工艺条件和材料特性下可预测残余应力分布。文献[9]采用以氩气为保护气，在不同修复温度、保温时间和降温速度条件下的热修复方法对磨削后蓝宝石表层进行处理，通过检测实验发现此方法可有效降低蓝宝石的表面残余拉应力，提高了材料的表面完整性。文献[10]对陶瓷材料进行超声辅助铣磨削加工与仿真研究，得出了磨削条件与残余应力的关系曲线，实现了材料表面质量的大幅提升。文献[11]对单晶硅纳米研磨过程中的残余应力的产生与分布进行了研究，采用阶梯刻蚀的方法和共聚焦激光显微拉曼光谱法研究了研磨后的硅片中残余应力的相变和分布。得出随着蚀刻深度的降低，残余应力呈现出压应力减小和拉应力分散分布的趋势。

以上研究表明探究磨削后硬脆材料的残余应力分布对工件表面完整性有重要意义，但前人研究针对陶瓷材料较少且多为表面残余应力，因此这里选取氮化硅与氧化锆两种陶瓷材料进行对比研究，探究不同磨削参数对两种陶瓷材料的影响规律以及残余应力的分布情况，可进一步完善陶瓷材料的加工技术。

2 实验

2.1 实验仪器与方案

实验采用氮化硅（Si3N4）与氧化锆（ZrO2）两种陶瓷材料试件，试件大小为边长20mm的正方体陶瓷块，实验在精密成型磨床上进行，通过调整磨削速度vs、磨削深度ap，进给速度vw三个磨削参数来获得不同残余应力值，砂轮采用树脂结合剂金刚石砂轮：浓度为80%，粒度为80/95μm，湿磨下进行，如图1所示。

图1 磨削加工Fig.1 Grinding Processing

磨削后陶瓷材料的残余应力采用日本Pulstec 公司的便携式X射线残余应力分析仪μ-x360s进行测量。此残余应力分析仪可快速精确地对被测材料进行检测，并且是以晶体衍射与胡克定律为依据，根据被测工件材料的晶面间距变化来确定其表面与内部的残余应力情况，如图2所示。

图2 残余应力分析仪Fig.2 Residual Stress Analyzer

本次实验通过改变磨削参数以获得两种材料的残余应力值，采用单因素实验法。由于陶瓷材料本身的硬脆性，所以在磨削加工中主要存在塑性变形与脆性断裂两种去除方式，并且这两种去除方式将导致陶瓷材料残余应力状态存在较大差别。此外，未经过磨削加工的试件表面的原始应力σ与材料的烧结工艺有关。因此在实验前先测量陶瓷试件表层的原始残余应力，发现氮化硅原始应力为：σ0x=-150MPa，σ0y=-82MPa；氧化锆原始应力为：σ0x=-169MPa，σ0y=-87MPa。通过测量发现两种陶瓷材料原始残余应力都为压应力，但在平行于磨削方向（σx）和垂直于磨削方向（σy）上的数值有所不同，不同的初始应力值对磨削过程中磨粒的切削和裂纹的扩展都存在影响，可能影响最终实验结果，因此接下来的测量值都是在原始残余应力的基础上得出的相对值。

2.2 实验结果

不同磨削参数下的表面残余应力值，如表1所示。

表1 不同参数下表面残余应力Tab.1 Surface Residual Stress Under Different Parameters

由表1可以看出氮化硅和氧化锆两种材料的表面残余应力均为残余压应力，且氧化锆的应力值要大于氮化硅的应力值，平行于磨削方向的应力值要大于垂直于磨削方向的应力值。同一磨削条件下（vs=40m/s、ap=10μm、vw=3800mm/min）不同表面下深度的残余应力分布，如表2所示。可看出残余应力的分布随着表面下深度的增加逐渐减小后趋近于平缓，且两种陶瓷材料平行于磨削方向的应力变化范围及峰值要大于垂直于磨削方向的应力变化与峰值。

表2 不同表面下深度残余应力分布Tab.2 Distribution of Residual Stress in Different Depths

3 分析与讨论

3.1 磨削参数与残余应力关系

将表1的数据呈现于，由磨削参数与表面残余应力关系图可知随着磨削参数的变化，表面残余应力均为压应力，分析其原因，金刚石砂轮在磨削工程陶瓷时，砂轮磨粒的切削去除挤压作用相对明显，会引起局部较高的磨削温度，在磨削温度作用下以塑性挤压为主的去除方式会引起陶瓷表面出现残余压应力,如图3所示。此外，由于陶瓷材料的脆性较大，表面如果出现残余拉应力会立即以裂纹生产与扩展的方式将残余拉应力释放，因此均出现残余压应力。

由图3（a）可知，随着磨削速度由25m/s增加到45m/s，两种陶瓷材料的表面残余应力值均增大，出现此现象的原因为当砂轮磨削速度增大，会引起磨削表面的适当高温，增加了陶瓷材料的断裂韧性，使材料趋向于发生以弹性或塑性变形的去除方式[12-14]，抑制了裂纹扩展以及表面剥落等现象发生，使磨削表面的应力无法被释放出去，因此表面残余应力增大。

由图3（b）和图3（c）可知，当磨削深度由5μm 增加到25μm、进给速度由1000mm/min 增加到5000mm/min 时，两种材料的表面残余应力值均减小，出现此现象的原因为当磨削深度和进给速度增加时，磨削表面产生较多的脆性剥落，以塑性变形为主的去除方式比例大大减少，所产生的热应力作用也相对减少，表面残余应力值减小。同时，磨削深度和进给速度的增加会导致表面/亚表面裂纹扩展深度增加[15]，裂纹的扩展会引起陶瓷材料内部残余应力的释放，也会导致残余应力值变小。通过实验发现，磨削参数中磨削深度对表面残余应力影响最大，磨削速度次之，进给速度最小。

图3 磨削参数与表面残余应力关系Fig.3 Relationship Between Grinding Parameters and Surface Residual Stress

3.2 残余应力分布规律

将表2的数据呈现在图4中，磨削条件在vs=40m/s、ap=10μm、vw=3500mm/min 时表面下深度由（0～60）μm 时的残余应力分布，如图4所示。由5可知，两种材料平行于磨削方向和垂直于磨削方向的残余应力峰值都是压应力，同时在表面下深度为（25～35）μm附近压应力转变为拉应力，此外随着表面下深度的增加，两个方向的残余应力值逐渐变小并趋近于某一深度时由加工引起的残余应力会消除。

图4 不同表面下深度残余应力分布Fig.4 Distribution of Residual Stress at Different Depths

出现以上原因是因为随着磨削表面下深度的增加，残余应力值与裂纹扩展作用逐渐由磨削表面向下减弱，由挤压效应所产生的残余压应力作用也明显下降。此外，磨削高温产生的热应力会使加工后残余应力出现状态转变现象，因此导致原有的残余压应力在释放和向下传递过程中转变为拉应力，但这种拉应力作用效果不明显，会随着深度的增加逐渐消除。

对比两种材料在同一磨削参数和表面下深度的残余应力与不同磨削参数下表面残余应力发现，平行于磨削方向的残余应力值要大于垂直于磨削方向的应力值，这是因为磨削过程中砂轮中磨粒在磨削力的作用下沿磨削方向对工件表面进行滑擦、耕犁和切削运动，出现了沿磨削方向的挤压效应，因此导致了平行于磨削方向上的残余压应力要大于垂于方向的。氧化锆的残余应力值要大于氮化硅的残余应力值，这是因为氧化锆的断裂韧性（9MPa·m1/2）要高于氮化硅的断裂韧性（6MPa·m1/2），断裂韧性的提高抑制了裂纹扩展深度的增加，从而阻止了残余应力的释放。

3.3 表面残余应力与去除方式关系

由以上分析可知磨削后表面残余应力与材料去除方式存在关系，为了得出残余应力与表面去除方式存在何种关系，将进行残余应力检测后的工件再进行表面扫描电镜观测，得出不同残余应力下的工件表面形貌，如图5所示。

图5 不同残余应力下表面形貌（单位：MPa）Fig.5 Surface Morphology Under Different Residual Stress（Unit：MPa）

图5选取氮化硅材料进行表面形貌观测，由图可看出，在残余应力值的较大时，如图5（a）、图5（b）所示。表面存在较多的塑性流动，表面较为平整与光滑；当残余应力值逐渐减小后，如图5（e）～图5（f）所示。

表面出现明显的脆性剥落、凹坑和隆起，表明质量变差，氧化锆材料的变化趋势与氮化硅材料一致，因此随着工件表面由塑性变形的去除方式向脆性断裂的去除方式转变，如图5（a）～图5（f）所示。表面残余压应力值逐渐减小，表面质量变差，也验证了前文理论分析的正确性。因此在磨削加工中应选用较小的进给速度和磨削深度、较大的磨削速度使表面呈现较大的残余压应力，以此来获得较好的表面质量。

4 结论

这里通过对两种工程陶瓷材料的不同磨削参数下的表面残余应力、同一磨削参数下的残余应力分布以及表面残余应力与去除方式关系的研究，得出结论如下：

（1）氮化硅与氧化锆陶瓷磨削后表面残余应力均为压应力，且当磨削速度减小、磨削深度与进给速度增加时，两种材料表面残余应力值均减小。

（2）同一磨削参数下，随着磨削表面下深度的增加，两种材料的残余应力分布均由残余压应力向残余拉应力转变，后再转变为压应力并逐渐消失。

（3）两种材料平行于磨削方向的残余应力值要大于垂直磨削方向的残余应力值，且氧化锆陶瓷残余应力值要大于氮化硅陶瓷的残余应力值。

（4）随着工件表面由塑性变形的去除方式向脆性断裂的去除方式转变，表面残余压应力值逐渐减小，表面质量变差；在磨削加工中应选用较小的进给速度和磨削深度、较大的磨削速度使表面呈现较大的残余压应力，以此来获得较好的表面质量。