隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，脆性材料在現(xiàn)代高技術(shù)行業(yè)的諸多領(lǐng)域，特別是在航空航天、 光學(xué)及電子領(lǐng)域中具有十分重要的作用，而且 往往對工件的加工精度和表面質(zhì)量有非常高的要求。但是到目前為止，脆性材料的加工仍然 是一件困難的事情。因為它們zui突出的一個特 性就是材料的脆性高，斷裂韌性低，材料的彈性極限和強(qiáng)度非常接近。當(dāng)材料所承受的載荷 超過彈性極*就發(fā)生斷裂破壞，在已女口工表 面產(chǎn)生裂紋和凹坑，嚴(yán)重影響其表面質(zhì)量和性 能 [12,13] ，所以脆性材料的可加工性極差。過去， 人們一直沿用古老的研磨、拋光工藝對脆性材 料進(jìn)行光整加工。這些加工方法生產(chǎn)效率低，加工精度不易保證，而且加工過程不易實現(xiàn)計算 機(jī)控制，對于曲面形狀復(fù)雜的工件甚至無法加 工，因此已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)現(xiàn)代高科技發(fā)展和 率的要求。

近年來，人們對峙性材料的加工做了大量 的探索和嘗試。待別是隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā) 展，金剛石刀具和超精密機(jī)床的制造技術(shù)都已發(fā)展到*的水平，使得對脆性材料進(jìn)行超精 密切削加工成為可能。單純通過金剛石切削脆 性材料表面是近十幾年來才發(fā)展起來的新興技術(shù)，它主要是通過對脆性材料實現(xiàn)塑性域的超 精密切削來獲得高質(zhì)量表面。這種方法由于具 有生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)過程易于控制、可加工曲面形狀復(fù)雜的工件等優(yōu)點，有著十分廣泛的應(yīng) 用前景。本文對脆性材料超精密加工的研究現(xiàn) 狀進(jìn)行了全面的總結(jié)，并分析了其中存在的一些問題，希望對脆性材料塑性域加工的進(jìn)一步 研究有所啟示。

1 尖銳壓頭對脆性材料印壓實驗的脆塑變形理論

用鋒利的金剛石刀具對脆性材料的超精密 車削的可能性是以脆性材料在尖銳的金剛石壓 頭下能夠產(chǎn)生塑性變形為基礎(chǔ)的。在過去的幾十年里，許多學(xué)者對各種硬脆材料進(jìn)行了大量 的印壓實驗，即以一定的垂直力將金剛石壓頭 壓入材料內(nèi)部一定的深度，觀察材料的變形情況。在印壓實驗的加載到卸載一個完整的循環(huán) 中，破壞裂紋由產(chǎn)生到擴(kuò)展的過程如圖1所 示 [1] 。

從圖l可以看出，即使是脆性材料，在很 小載荷的作用下仍然會產(chǎn)生一定的塑性變形。 當(dāng)載荷增加時，材料將由塑性變形方式向脆性破壞發(fā)生轉(zhuǎn)變，在材料的內(nèi)部和表面上產(chǎn)生脆 性裂紋。在這個轉(zhuǎn)變過程中，當(dāng)裂紋剛好產(chǎn)生 時所施加的垂直載荷稱為臨界載荷，此時壓頭壓入的深度稱為臨界壓深。這兩個概念對描述 脆性材料在外力作用下何時由塑性變形方式向 脆性破壞發(fā)生轉(zhuǎn)變有很重要的意義。臨界壓深

（a）初始加載：接觸區(qū)產(chǎn)生一*塑性變形區(qū)，沒有任何 裂紋破壞。變形區(qū)尺寸隨載荷增加而變大。

（b）臨界區(qū)：載荷增加到某一數(shù)值時，在壓頭正下方應(yīng)力 集中處產(chǎn)生中介裂紋（MedianCraclE）。

（c）裂紋增長區(qū)：載荷增加，中介裂紋也隨之增長。

（d）初始卸載階段：中介裂紋開始閉合，但不愈合。

（e）側(cè)向裂紋產(chǎn)生：進(jìn)一步卸載，由于接觸區(qū)彈塑性應(yīng)力 不匹配，產(chǎn)生一個拉應(yīng)力疊加在應(yīng)力場中，產(chǎn)生系列向側(cè)邊擴(kuò) 展的橫向裂紋（LateralCrack）。

（f）*卸裁：側(cè)向裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，若裂紋延伸到表面則形成破壞的碎屑。 的計算公式如（1）所示 [2,3] ：

式中，dc是臨界壓深，E是材料的彈性模量，H 為材料硬度，Kc是材料的斷裂韌性，ψ是一個 和壓頭的幾何形狀有關(guān)的常數(shù)。

在對脆性材料的印壓過程中，中介裂紋總 是首先產(chǎn)生的，而且它垂直于材料表面向內(nèi)部 擴(kuò)展，對材料的破壞zui為嚴(yán)重，所以學(xué)者們對中 介裂紋產(chǎn)生的長度和所施加的垂直載荷之間的 關(guān)系進(jìn)行了詳細(xì)的研究，得到如下關(guān)系式[4]:

式中，c表示裂紋長度，P為所施加的垂直載荷， β是取決于壓頭向何形狀的常數(shù)，φ是壓頭的 半頂角。

正是由于人們從印壓和刻劃實驗中認(rèn)識 到，即便是脆性材料，在壓入深度很小時，也會 產(chǎn)生塑性變形，而且裂紋產(chǎn)生的長度和施加載 荷存在一定關(guān)系，于是才提出了已裂紋不擴(kuò)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

超精密磨削技術(shù)是近期發(fā)展起來的一種 新的脆性材料加工方法，它是在高剛度超密磨 床上，用金剛石砂輪對材料表面進(jìn)行磨削加工。 Evans和Marshall通過用金剛石壓頭刻劃過玻 璃等脆性材料表面來模擬金剛石砂輪上的微小 磨粒的切削過程，當(dāng)所施加載荷大于臨界荷時，磨粒作用下的脆性裂紋系統(tǒng)如圖2所示 [5] 。實 現(xiàn)對脆性材料的超精密磨削，關(guān)鍵是使材料以 塑性變形方式去除。在磨粒的作用下，材料表面剛好產(chǎn)生微裂紋，磨粒切入的厚度叫臨界切削 厚度。有許多學(xué)者對磨削條件下脆性材料的脆 塑轉(zhuǎn)變進(jìn)行了研究 [6-8] ，美國學(xué)者T．G．bifano 在對玻璃、陶瓷等脆性材料做了大量的磨削實 驗的基礎(chǔ)上，得到了超精密磨削中的臨界切削 厚度公式 [6] ：

式中，dc是臨界切削厚度，E是材料的彈性模 量，H為材料硬度，K是材料的斷裂韌性。

日本學(xué)者Naoya lkawa等人用不同粒度的 磨粒對單晶硅、鈮酸鋰表面進(jìn)行了印壓實驗，發(fā) 現(xiàn)不同粒度的磨粒對材料表面的影響是不同 的 [9] 。因此有理由相信，在超精密磨削過程中， 采用的金剛石砂輪磨粒粒度的大小必然會影響 到臨界切削厚度。但是，目前還缺少對這方面的 研究。

80 年代后期，美國北卡羅萊那州立大學(xué)精 密工程中心研制成功一臺超精密磨床，機(jī)床主 軸剛度為50MN／m。在該機(jī)床上用經(jīng)過特別精密修整的金剛石砂輪對單晶硅、單晶鍺、非晶玻 璃等多種光學(xué)脆性材料進(jìn)行磨削，可以加工出 沒有裂紋的光滑表面 [10] 。另外，英國相日本也都自己研制成功了超精密磨床，其中英國的克 蘭菲爾德精密工程中心的磨床是世界上主鈾剛 度zui大的機(jī)床，日本的豐田精機(jī)公司開發(fā)出了用陶瓷材料研制的零膨脹系數(shù)主軸的超精密磨 床。他們也對硬脆材料進(jìn)行了磨削加工，材料表 面質(zhì)量要優(yōu)于用傳統(tǒng)的拋光方法加工得到的光學(xué)表面。但是，這種加工技術(shù)中存在以下問 題 [11,12] ：如何保證砂輪上的磨粒分布均勻、高 度一致：由于磨粒非常微小，易于產(chǎn)生磨屑堵塞砂輪而導(dǎo)致磨削力增加，在工件表面產(chǎn)生裂紋。

為了解決上述問題，日本物理化學(xué)研究所大森整等人于1987年提出了ELID磨削技術(shù)。 其基本原理是利用在線的電解作用對金屬基砂 輪進(jìn)行修整，即在磨削過程中在砂輪和工具電極之間澆注電解磨削液并加上直流脈沖電源， 使作為陽極的砂輪金屬結(jié)合劑產(chǎn)生陽極溶解效 應(yīng)而逐漸去除，將不受電解影響的磨料顆粒突出砂輪表面，從而實現(xiàn)對砂輪的修整，在加工過 程中能始終保持砂輪的鋒利性。

ELID磨削技術(shù)的出現(xiàn)，成功地解決了金屬 基超硬磨料砂輪修整的難題，同時在線電解的 微量修整作用使超細(xì)粒度砂輪在磨削過程中能 保持鋒銳性，為實現(xiàn)穩(wěn)定的超精密磨削創(chuàng)造了 有利條件。日本在研究中使用的砂輪粒度已達(dá) 5nm，磨削表面粗糙度Ra小于1nm。

ELID 磨削技術(shù)在美國、英國、德國等國家 也得到了重視和研究應(yīng)用，并且被用來對脆性 材料表面進(jìn)行超精密加工。在國內(nèi)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)從1993年開始置EID磨削技術(shù)的研究工 作，目前對硬質(zhì)合金、陶瓷、光學(xué)玻璃等脆性材 料實現(xiàn)了鏡面磨削，磨削表面粗糙度數(shù)值與在同樣機(jī)床條件下普通砂輪磨創(chuàng)相比有大幅度的 提高，部分工件的表面粗糙度Ra已達(dá)納米級， 其中，對硅微晶玻璃的磨削表面粗糙度可達(dá)Ra 0.012μm。這表明ELID磨削技術(shù)可以實現(xiàn)對脆 性材料表面的超精密加工，但是加工過程中仍 存在砂輪表面氧化膜或砂輪表面層未電解物質(zhì)被壓入工件表面，形成表面層釉化和電解磨削 液的配比等問題，這些問題都將嚴(yán)重影響加工 表面質(zhì)量，還有待于進(jìn)一步的研究。

3 脆性材料延性方式超精密車削

從1987 年開始，美國卡羅萊那州立大學(xué)的 學(xué)者Blake和Scattergood等人首先對脆性光學(xué) 材料單晶鍺進(jìn)行了一系列的超精密車削實驗研究，并成功地實現(xiàn)了脆性材料塑性超精密車創(chuàng)， 其表面粗糙度Ra達(dá)到8nm [13] 。Blake等人的這些切削提出了用圓弧刃金剛石車刀切削材 料時的切削截面幾何形狀和臨界切深之間的聯(lián) 系，提出了如圖3所示的脆塑轉(zhuǎn)變切削模型。圖中，f是進(jìn)給量，z表示刀尖中心到脆塑轉(zhuǎn)變區(qū) 域之間的距離，yc是裂紋的長度，t是圓弧刃上 一點的切削厚度。

由于使用的是圓弧刃刀具，從刀尖到待加 工表面，有效切削厚度由零增加到zui大值。切削 厚度達(dá)到某一臨界值dc時，材料開始產(chǎn)生斷裂破壞；而當(dāng)切削厚度小于該臨界值時，材料的去 除方式主要是塑性變形方式。假設(shè)在臨界值dc 處斷裂破壞產(chǎn)生的裂紋擴(kuò)展深度為yc，如果裂紋擴(kuò)展深度yc沒有波及加工表面，就可以得到 光滑的表面。而在圓弧面上產(chǎn)生的斷裂破壞部 分，將會在以后的切削過程中切除。

從這個切削模型中可以看出，所謂對脆性 材料的塑料域車削并非在整個切削過程中材料 都要以塑性方式切除，而是僅僅在靠近刀尖附近的部分材料是以塑性變形方式去除，而其他 大部分材料還是以脆性斷裂的方式切除，這是 脆性材料車削的一個重要待征。在這個過程中，進(jìn)給量的作用非常重要，臨界切削厚度dc。相對 于車刀圓弧刃的位置和進(jìn)給量的取值大小密切 相關(guān)。增大進(jìn)給量，臨界切削厚度dc將沿著車刀圓弧刃下移，裂紋就容易擴(kuò)展到已加工表面。 他提出了臨界切削厚度的計算公式 [13] ：

式中，f是進(jìn)給量，R是車刀圓弧半徑。

如圖3所示，因為裂紋擴(kuò)展深度yc對形成 的圓弧面有復(fù)映作用，考慮到y(tǒng)c的影響，對上 式做了如下改進(jìn)： [14] ：

Blackey對單晶鍺和單晶硅進(jìn)行了多組切 削實驗，實驗結(jié)果表明裂紋擴(kuò)展深度yc約為臨 界切削厚度dc的3-10倍。

為了提高分析精度，Blackey等人進(jìn)一步用 掃描電子顯微鏡研究了金剛石切削單晶鍺的切 屑形貌。在刀尖附近切下的切屑較薄，呈連續(xù)帶狀，是塑性變形；遠(yuǎn)離刀尖部分的切屑比較厚， 呈現(xiàn)不連續(xù)的破碎狀態(tài)，主要是脆性變形。在切 屑上可觀察到明顯的脆塑轉(zhuǎn)變分界線，Blackey 給出了如下關(guān)系式 [5] :

式中，Wductile是切屑塑性變形區(qū)域的寬度。通過 上式得到的臨界切削深度dc的精度又有了進(jìn) 一步的提高。但是以上的分析都是建立在實驗 測量數(shù)值的基礎(chǔ)上的，受實驗條件的影響很大。

1990 年，日本學(xué)者Nakasuji等也對脆性材 料車削過程中的脆塑轉(zhuǎn)變進(jìn)行了研究 [16] 。他們 對臨界切削厚度的研究方法和結(jié)果同B1ackey 等人的結(jié)果基本一致。但是同時他們還發(fā)現(xiàn)了 單晶鍺車削表面的表面粗糙度呈現(xiàn)明暗相間的 扇形分布特征，這是由于單品材料的各向異性特征造成的。在對單晶硅的（100）晶面，沿＜ 110＞和＜100＞晶向進(jìn)行直角切削的試驗也表 明，沿不同品向進(jìn)行車削時切削力的差異非常大，這必然會對材料的表面質(zhì)量造成影響。 Takayuki Shibata用品向?qū)葡诞a(chǎn)生的影響 來解釋造成這種扇形面的原因 [20] ，但是脆性材 料在車削過程中必然會產(chǎn)生脆性破壞，所以單 純從塑性滑移來解釋有一定的片面性。

由于對脆性材料超精密加工中的切削厚度 非常小，刀具的刃口半徑和切削厚度基本處于 同一數(shù)量級，所以刃口半徑對切削過程的影響 已不容忽視。雖然已經(jīng)有一些學(xué)者對刃口半徑對切削力的影響進(jìn)行了研究，但是目前對刃口 半徑對脆性材料超精密車削脆塑轉(zhuǎn)變的影響的 研究仍是一片空白，需要進(jìn)一步的研究。

KiovanolaJH 在對玻璃進(jìn)行車創(chuàng)時發(fā)現(xiàn)， 刀具采用-30°前角易于形成連續(xù)帶狀切削，實 現(xiàn)塑性加工。以后人們對單晶硅、鍺等材料的超精密車削過程中也都發(fā)現(xiàn)采用較大的負(fù)前角 有利于實現(xiàn)脆性材料的塑性域加工。日本學(xué)者 采用給工件表面施加一個負(fù)壓力的方法進(jìn)行車削，在精密車床上實現(xiàn)了對脆性材料的塑性域 加工。但是學(xué)者們對采用較大負(fù)前角金剛石車 刀易于實現(xiàn)脆性材料的塑性域加工沒有給出很 好的解釋。

4 結(jié)束語

從脆性材料塑性域超精密加工的研究現(xiàn)狀 可以看出，脆性材料的超精密加工研究取得了 重要進(jìn)展，對切削過程有比較深刻的認(rèn)識。但是人們對脆性材料在超薄切削條件下發(fā)生脆— 塑轉(zhuǎn)變的機(jī)制缺乏深入的研究，因此對臨界切 深的確定還只是建立在實驗測量的基礎(chǔ)上，缺少理論的指導(dǎo)。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 尚屬剛剛起步，其中仍然存在許多問題值得探討、研究。