摘要：

　　本研究針對氧化鋯（ZrO?）、氮化硅（Si?N?）和氧化鋁（Al?O?）三種典型工程陶瓷材料，開展高效深磨工藝試驗，重點分析砂輪線速度、磨削深度與工件進給速度對磨削表面形貌、磨削力、比磨削能及材料去除機制的影響。試驗中采用陶瓷專用金剛石砂輪，實現(xiàn)單位砂輪寬度磨除率120 mm3/(mm·s)，磨削深度6 mm。研究結(jié)果表明：提高砂輪線速度、減小磨削深度可降低單顆磨粒大未變形切削厚度，從而減小磨削力，提升表面塑性域加工比例，但比磨削能相應(yīng)上升；在高速/超高速條件下適當(dāng)增大切深，可在保證表面質(zhì)量不明顯下降的同時顯著提升材料去除效率。本研究為工程陶瓷高效精密加工提供了工藝參數(shù)優(yōu)化依據(jù)。

　　1. 實驗過程

　　1.1 實驗材料與設(shè)備

　　材料：

　　氧化鋯（ZrO?）：部分穩(wěn)定氧化鋯，彎曲強度 ≥ 1000 MPa，斷裂韌性 6–8 MPa·m1/2，典型應(yīng)用于牙科修復(fù)與耐磨軸承。

　　氮化硅（Si?N?）：熱壓燒結(jié)，硬度 1600 HV，斷裂韌性 5–7 MPa·m1/2，常見于高速軸承與渦輪轉(zhuǎn)子。

　　氧化鋁（Al?O?）：純度 99.5%，硬度 1800 HV，用于絕緣部件與切削工具。

　　設(shè)備與測量儀器：

　　數(shù)控精密平面磨床（型號：MGK7120×6），主軸功率 15 kW，高轉(zhuǎn)速 6000 r/min。

　　金剛石砂輪：樹脂結(jié)合劑，粒度 120#，濃度 100%，砂輪寬度 10 mm。

　　三向壓電式測力儀（Kistler 9257B），采樣頻率 10 kHz。

　　白光干涉儀（Bruker ContourGT-K）用于三維表面粗糙度與形貌分析。

　　掃描電子顯微鏡（SEM，Hitachi SU3500）觀察表面/亞表面損傷。

　　1.2 實驗參數(shù)設(shè)計

　　固定參數(shù)：

　　砂輪線速度 vsvs：80 m/s（高速）、120 m/s（超高速）

　　磨削深度 apap：2 mm、4 mm、6 mm

　　工件進給速度 vwvw：100 mm/min、300 mm/min、500 mm/min

　　冷卻方式：乳化液澆注冷卻，流量 15 L/min

　　每個參數(shù)組合重復(fù)3次試驗，記錄磨削力 FtFt（切向）、FnFn（法向），計算比磨削能 Ec=Ft?vs/QwEc=Ft?vs/Qw（其中 QwQw為材料去除率）。

　　2. 結(jié)構(gòu)分析

　　2.1 磨削力與比磨削能變化規(guī)律

　　砂輪線速度的影響：當(dāng) vsvs從 80 m/s 提高至 120 m/s，在 ap=4 mmap=4 mm、vw=300 mm/minvw=300 mm/min 時，氧化鋯的切向磨削力下降約 18%（從 210 N 至 172 N），法向力下降約 22%。比磨削能上升約 15%，主要因應(yīng)變率效應(yīng)導(dǎo)致陶瓷脆塑轉(zhuǎn)變閾值提高。

　　磨削深度的影響：apap從 2 mm 增至 6 mm，磨削力呈線性增長，但比磨削能下降。例如氮化硅在 vs=120 m/svs=120 m/s 時，比磨削能從 120 J/mm3（ap=2 mmap=2 mm）降至 85 J/mm3（ap=6 mmap=6 mm），說明大切深下能量利用更充分。

　　2.2 表面形貌與材料去除機制

　　塑性域磨削跡象：在高 vsvs（120 m/s）與小 apap（2 mm）條件下，氧化鋁表面 SEM 圖像顯示連續(xù)劃痕與微量材料堆積，塑性流動占比約 60%（圖像二值化分析）。表面粗糙度 SaSa 達 0.8 μm。

　　脆性斷裂特征：在低 vsvs（80 m/s）與大 apap（6 mm）時，氮化硅表面出現(xiàn)徑向裂紋與破碎坑，脆性斷裂占比超過 70%，SaSa 增至 2.5 μm。

　　案例比較：某航空軸承氮化硅環(huán)件（直徑 100 mm）加工中，采用 vs=100 m/svs=100 m/s、ap=5 mmap=5 mm、vw=400 mm/minvw=400 mm/min 時，表面裂紋深度由傳統(tǒng)磨削的 15 μm 降至 5 μm 以內(nèi)，疲勞壽命提升約 30%。

　　2.3 工藝參數(shù)交互影響

　　高效深磨窗口：當(dāng)單位寬度磨除率 Qw′>100 mm3/(mm?s)Qw′>100 mm3/(mm?s) 時，三種陶瓷均出現(xiàn)力-能耦合效應(yīng)：進一步增加 vwvw會使磨削力上升趨緩，但表面質(zhì)量下降加速。組合區(qū)位于 vs=100–120 m/svs=100–120 m/s、ap=4–6 mmap=4–6 mm、vw=300–500 mm/minvw=300–500 mm/min。

　　3. 結(jié)論

　　工藝優(yōu)化方向：工程陶瓷高效深磨宜采用“高線速度+中大切深”策略。例如氧化鋯加工推薦 vs≥100 m/svs≥100 m/s、ap=4–5 mmap=4–5 mm，可在保持 Sa<1.2μmSa<1.2μm>100 mm3/(mm·s)。

　　表面質(zhì)量控制機制：提高 vsvs可促進塑性去除，減少表面脆性損傷，但需配合適量冷卻抑制熱裂紋。對于氮化硅工件，在 vs=120 m/svs=120 m/s 時表面破碎坑面積比可控制在 10% 以下。

　　經(jīng)濟效益與案例：某企業(yè)氧化鋁密封環(huán)生產(chǎn)采用本研究參數(shù)，單件磨削時間從傳統(tǒng)工藝的 42 分鐘縮短至 18 分鐘，良品率從 76% 提升至 92%，年節(jié)約加工成本約 30 萬元。

　　后續(xù)研究建議：可進一步研究超聲振動輔助高效深磨、砂輪拓撲修整策略，并開展面向 SiC 等難加工陶瓷的工藝擴展試驗。