李敏　袁巨龍,　呂冰?！∫ξ捣濉〈鱾?/p>

(1.湖南大學(xué) 國(guó)家高效磨削工程技術(shù)研究中心, 湖南 長(zhǎng)沙 410082; 2.浙江工業(yè)大學(xué) 特種裝備制造與

先進(jìn)加工技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 浙江 杭州 310014)

剪切增稠拋光加工Si3N4陶瓷的試驗(yàn)研究*

李敏1袁巨龍1,2呂冰海2?姚蔚峰2戴偉濤2

(1.湖南大學(xué) 國(guó)家高效磨削工程技術(shù)研究中心, 湖南 長(zhǎng)沙 410082; 2.浙江工業(yè)大學(xué) 特種裝備制造與

先進(jìn)加工技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 浙江 杭州 310014)

摘要：基于剪切增稠拋光(STP)的加工原理分析Si3N4陶瓷超精密加工的控制策略,考察所制備的含有立方氮化硼(CBN)磨粒的剪切增稠拋光液的流變行為,分析工件拋光前后表面形貌變化及表層應(yīng)力狀態(tài),研究其拋光特性.結(jié)果表明:拋光液具有可逆的剪切增稠與稀化效應(yīng),可達(dá)到STP加工工藝用拋光液的要求;改變磨粒粒徑,可以控制Si3N4加工效率與表面質(zhì)量,且材料去除量和表面粗糙度的理論值能夠反映試驗(yàn)值的變化;STP加工Si3N4為持續(xù)微切削的“柔性拋光”,初期為脆性剪切、粘著磨損去除,后期為塑性去除;當(dāng)磨粒粒徑達(dá)到納米級(jí)時(shí),表層應(yīng)力狀態(tài)由初始?xì)堄嗬瓚?yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力,說(shuō)明STP不僅能高效去除原有表面損傷層而且新引入的損傷小;隨著拋光時(shí)間的延長(zhǎng),去除量先快速增大而后趨緩;拋光90 min后,去除率由初期的5.00～2.40 μm/h降至3.24～2.04 μm/h，表面粗糙度Ra由108.9～111.1 nm降至22.0～10.7 nm;拋光150 min后,Ra可降至9.6～7.2 nm,實(shí)現(xiàn)了Si3N4陶瓷粗拋后的精密拋光.

關(guān)鍵詞：剪切增稠拋光;氮化硅;流變行為;應(yīng)力狀態(tài);材料去除;精密拋光

降低工件表面粗糙度、去除損傷層,并獲得高精度和表面完整性的超精密拋光,一直是超精密加工技術(shù)不斷發(fā)展的重要方向[1-2].近年來(lái),一些先進(jìn)的拋光技術(shù),如彈性發(fā)射加工(EEM)、化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)、磁流變拋光(MRF)和磁流變磨粒流拋光(MRAFF)及磁力研磨理論的超聲波振動(dòng)輔助復(fù)合加工等,已經(jīng)成為獲得超精密光滑表面的重要手段[2- 4].其中,EEM可獲得超光滑無(wú)損表面,但材料去除量?jī)H為幾個(gè)到幾十個(gè)原子級(jí),加工效率受到一定的限制;MRF作為一種基于計(jì)算機(jī)控制光學(xué)表面成型技術(shù)(CCOS)的柔性拋光方法,已成功應(yīng)用于各類(lèi)形面超精密加工中,但其起關(guān)鍵作用的磁流變液(MR液)的成本昂貴;CMP可實(shí)現(xiàn)工件表面納米級(jí)微小單位的去除,但其化學(xué)拋光液對(duì)環(huán)境有一定的影響[1].隨著對(duì)超精密工件需求量的增加以及對(duì)性能和加工要求的不斷提高,科研人員不斷探索高效、高質(zhì)量的新型拋光方法,能夠高效去除工件材料、面形適應(yīng)性好并融入環(huán)保理念的柔性拋光技術(shù)具有很大的發(fā)展?jié)摿1,5].因而,一種基于非牛頓流體剪切增稠效應(yīng)且具有高效、高質(zhì)量、低成本及面形適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)的剪切增稠拋光(STP),成為有望得到應(yīng)用的柔性拋光新方法[6].

氮化硅(Si3N4)陶瓷具有高硬度、高剛度、抗磨損、低密度、低熱膨脹系數(shù)和良好的化學(xué)穩(wěn)定性等綜合性能,作為一種重要的結(jié)構(gòu)陶瓷在軸承、轉(zhuǎn)子、閥芯等零件中得到廣泛的應(yīng)用,甚至被公認(rèn)為制造高速高精度軸承滾動(dòng)體的理想材料之一.由于Si3N4陶瓷需經(jīng)過(guò)磨削、拋光等加工工序的處理才能獲得工件表面的高精度,但其作為特殊的工程材料,使得對(duì)其表面質(zhì)量的加工要求也日益提高,如工件表面平整光潔、幾何尺寸均勻和表面層低損傷等[1].為此,文中對(duì)STP技術(shù)及其拋光Si3N4陶瓷進(jìn)行了研究,以期為高性能Si3N4陶瓷STP加工技術(shù)應(yīng)用提供基礎(chǔ).

1剪切增稠拋光原理及其試驗(yàn)裝置

1.1　STP加工原理

STP加工原理如圖1所示,工件與非牛頓剪切增稠磨料液間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)(磨料液有一定的流動(dòng)速度),使得磨料液與工件接觸部受剪切力Fshear作用而形成“粒子族”,呈現(xiàn)剪切增稠現(xiàn)象,接觸區(qū)域的拋光液黏度增大,將磨粒把持、包裹其中,進(jìn)而形成剪切增稠層(其厚度為h);在較大的流體壓力FD作用下,剪切增稠效應(yīng)不斷增強(qiáng),可進(jìn)一步增大固態(tài)粒子對(duì)磨粒的把持作用,形成一種類(lèi)似“柔性固著模具”,當(dāng)Fshear>FR(FR為材料達(dá)到屈服點(diǎn)時(shí)磨粒所受的阻力)時(shí),將粗糙表面微觀凸峰大部分去除而達(dá)到拋光目的.隨著磨料液繼續(xù)運(yùn)動(dòng),一旦越過(guò)已被去除微觀凸起時(shí),剪切增稠效應(yīng)減弱,所受Fshear不斷減小,當(dāng)Fshear

圖1　剪切增稠拋光加工原理圖Fig.1　Schematic illustration of shear thickening polishing

1.2　STP材料去除率與表面粗糙度的控制

1.2.1STP拋光材料去除率分析

Preston方程作為磨削或研磨拋光中的經(jīng)驗(yàn)公式,已在工程中得到廣泛的應(yīng)用,其將除磨粒速度和磨粒對(duì)工件表面的壓力以外所有影響材料去除量的因素都?xì)w為一個(gè)比例常數(shù),因而,在拋光過(guò)程中材料去除率(MRR)可描述為[2]

MRR=kpv

(1)

式中,k為Preston系數(shù),p為工件和拋光液接觸點(diǎn)的瞬時(shí)載荷,v為工件和拋光液接觸點(diǎn)的瞬時(shí)速度.

具有剪切增稠效應(yīng)的流體為一種非牛頓冪律流體,其本構(gòu)方程為[7]

(2)

由于在剪切層中,磨粒具有一定的粒徑,并被周?chē)稚⑾嘟橘|(zhì)包裹,故其v近似為

v=αd0vmax/h=k1vmax

(3)

式中,d0為磨粒粒徑,vmax為最大流層速度,α為磨粒入射傾角相關(guān)的系數(shù),k1=αd0/h.

由于與工件材料硬度HHBW相關(guān)的系數(shù)為k2,其他因素為k3,故Preston方程可寫(xiě)成

MRR=k1k2k3pv=k0pdvmax

(4)

式中,k0為Preston修正系數(shù).

由式(4)可知,MRR與壓力pd和速度vmax成正比.因此,在STP加工中提高工件材料去除率的方法有:①在保持流體性質(zhì)一定的條件下增大速度vmax(隨之增大pd);②改變流體性狀即n值(或K值).

1.2.2STP拋光工件表面粗糙度分析

假設(shè)在STP加工過(guò)程中所有磨粒尺寸都相同(近似為球形,直徑為da),且拋光時(shí)只有一個(gè)切削刃.在法向壓力Fn作用下,磨粒在工件表面上產(chǎn)生壓痕,壓痕區(qū)域的直徑d、深度Di(遠(yuǎn)小于da)取決于磨粒所受Fn和工件材料硬度屬性,如圖2所示[4].磨粒在Fshear作用下沿工件表面移動(dòng),當(dāng)液流作用在磨粒上的Fshear大于工件抗剪切作用力FR時(shí),工件材料即被去除.

圖2　磨粒對(duì)工件表面壓痕和粗糙凸峰去除示意圖[4]Fig.2　Schematic illustration of indentation of abrasive on workpiece surface and removal of peak shape of irregularity

設(shè)Si3N4陶瓷的布氏硬度為HHBW,重力加速度取近似值10 m/s2,則依據(jù)其測(cè)試原理[8],有

(5)

工件表面上磨粒壓痕投影面積S為[9]

(6)

(7)

式中,lw為拋光路徑,Na為磨粒質(zhì)量分?jǐn)?shù).

1.2.3STP加工Si3N4陶瓷的效率與質(zhì)量控制

由于工件在拋光過(guò)程中,既要保證一定的表面粗糙度又要提高加工效率,但在保證表面粗糙度達(dá)到更低的前提下,勢(shì)必會(huì)影響材料去除效率[1].結(jié)合1.2.1、1.2.2節(jié)中討論的材料去除率與表面粗糙度模型所得出的加工控制策略,指導(dǎo)本試驗(yàn)擬在得到較高的表面質(zhì)量下,通過(guò)控制速度vmax不變、CBN質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同但粒徑不等(達(dá)到拋光液粘性性狀(n或K)不同、磨粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)Na不等)對(duì)Si3N4陶瓷工件的拋光特性進(jìn)行研究,從而獲得控制其表面質(zhì)量及效率的目的.

1.3　STP拋光液的制備與流變性能測(cè)試

以CBN(相對(duì)密度為2.25,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%)、剪切增稠相(平均粒徑約11 μm)為原材料,以一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)在TM-2型混料機(jī)中混合24 h,加入去離子水,并添加適量分散劑,經(jīng)超聲波分散1 h后制備STP磨料液,5個(gè)樣品(編號(hào)分別為S1-S5)所含CBN磨粒的平均粒徑分別為15.00、7.50、5.00、0.60、0.05 μm.

在25 ℃恒溫條件(利用冷卻系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)并保證誤差為±1 ℃)下用美國(guó)TA儀器公司AR-G2型應(yīng)力控制流變儀測(cè)量STP磨料液的流變性能.各種流變數(shù)據(jù)均重復(fù)測(cè)量3次取平均值以修正測(cè)量誤差.由于使用不同的夾具對(duì)流變性能測(cè)試沒(méi)有影響,故本試驗(yàn)隨機(jī)選用同心圓夾具,其內(nèi)、外筒直徑分別為19、20 mm,高度為40 mm.利用高速攝像機(jī)拍攝受加工擾動(dòng)時(shí)STP拋光液的動(dòng)態(tài)照片.

1.4　STP加工試驗(yàn)

利用現(xiàn)有精密平面拋光機(jī)來(lái)搭建的剪切增稠拋光加工試驗(yàn)平臺(tái)如圖3所示.待加工Si3N4陶瓷工件為浙江智邦精工科技有限公司生產(chǎn),經(jīng)過(guò)初始磨削形成一定精度的表面(表面粗糙度Ra約為110 nm).利用粘接樹(shù)脂或鑲嵌樹(shù)脂將直徑為12 mm、高度為10 mm的Si3N4(密度為3.05×10-3g/mm3、彈性模量為297 GPa、泊松比為0.25)固定在直徑為12 mm、高度為30 mm的柱狀?yuàn)A具底部.量取一定量的STP磨料液,按如下工藝條件進(jìn)行拋光試驗(yàn)：工件材料為Si3N4，平面拋光機(jī)主軸轉(zhuǎn)速為10~500 r/min，vmax為0.15~3.00 m/s，拋光時(shí)間t為30~150 min，加工環(huán)境溫度為25℃.采用德國(guó)Zeiss Sigma SEM觀察拋光前后工件表面的形貌,并用Surfcorder 1700 型表面粗糙度儀測(cè)量表面粗糙度(部分樣品需經(jīng)具有更高測(cè)量精度的Wyko NT9800型光學(xué)輪廓儀測(cè)量).采用X′Pert Pro 型X射線衍射儀對(duì)拋光前后的Si3N4陶瓷進(jìn)行X射線衍射分析,并計(jì)算其表面殘余應(yīng)力.應(yīng)用CMT-1100激光精密快速厚度檢測(cè)儀(檢測(cè)精度為0.1 μm)對(duì)拋光去除量進(jìn)行測(cè)定(取3次測(cè)量結(jié)果的平均值).

圖3　剪切增稠拋光加工試驗(yàn)平臺(tái)Fig.3　Experimental device for STP

2結(jié)果與討論

2.1　STP拋光液的流變行為分析

由于STP磨料液的微觀結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部基團(tuán)間相互作用的宏觀表現(xiàn)就是表觀黏度的變化[11],因此,STP磨料液的微觀結(jié)構(gòu)及內(nèi)部基團(tuán)間的相互作用是否受外在擾動(dòng)等因素作用而發(fā)生表觀黏度變化,將影響磨料液的性能及STP加工工件的質(zhì)量.當(dāng)STP磨料液不受外力擾動(dòng)作用時(shí),流體作用力與粒子間作用力存在一種動(dòng)態(tài)平衡,CBN、剪切增稠相、去離子水間的氫鍵會(huì)發(fā)生斷裂,同時(shí)這些團(tuán)聚體又因粒子間作用力而使得氫鍵重新生成.圖4所示為高速攝像下STP磨料液(S2)的擾動(dòng)形貌.由圖可知,當(dāng)S2拋光液因外在擾動(dòng)受剪切應(yīng)力時(shí),其中所含粒子會(huì)呈現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象,極易產(chǎn)生CBN“粒子簇”,這種特性成為剪切增稠拋光中影響工件材料去除的關(guān)鍵性因素.由STP磨料液(S2)的表觀黏度(η)-剪切應(yīng)力()曲線(見(jiàn)圖5)可見(jiàn),拋光液初始黏度為4.30 Pa·s(A點(diǎn)處),隨所受剪切應(yīng)力的增大(達(dá)到0.251 Pa,B點(diǎn)處)而下降但不明顯,這是由于對(duì)體系施加外力時(shí),增大了氫鍵的斷裂趨勢(shì),但同時(shí)分離的團(tuán)聚體因粒子間作用力能很快與分散介質(zhì)重新鍵合成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu);剪切應(yīng)力繼續(xù)增大到5.200 Pa后,η下降至最小值1.30 Pa·s(C點(diǎn)處),成鍵速度遠(yuǎn)低于氫鍵斷裂速度,網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)逐步被破壞,形成一些相對(duì)孤立的團(tuán)聚體,使得AC段呈現(xiàn)出剪切變稀的性質(zhì);此后,η隨剪切應(yīng)力增大而急劇地增大,表現(xiàn)出剪切增稠特性,其主要流體作用力促使團(tuán)聚體產(chǎn)生再次團(tuán)聚,形成“粒子簇”,大大增強(qiáng)流動(dòng)阻力,使黏度進(jìn)一步劇增;當(dāng)剪切應(yīng)力為60.000 Pa、η達(dá)到9.50 Pa·s(D點(diǎn)處)后,曲線基本上呈下降趨勢(shì),因而呈現(xiàn)出一種具有剪切增稠效應(yīng)的非牛頓冪律流體特性[11-12].

圖4　高速攝像下STP磨料液的擾動(dòng)形貌Fig.4　Perturbation morphology of STP abrasive slurry by high-speed videography

圖5　STP拋光液S2的表觀黏度-剪切應(yīng)力曲線Fig.5　Viscosity-shear stress curve of STP slurry S2

從STP磨料液(S1、S3、S4、S5)的動(dòng)態(tài)剪切增稠可逆性曲線(見(jiàn)圖6)可知,當(dāng)剪切應(yīng)力低于50 Pa時(shí),每種磨料液的兩條剪切增稠曲線重合性相當(dāng)好,表明STP磨料液的剪切增稠特性具有可逆性.由于流體作用力而生成的“粒子簇”并不很穩(wěn)定,隨著外力的減小,“粒子簇”將重新分解為CBN一次團(tuán)聚體.這種剪切增稠的可逆性,可使STP磨料液中的磨粒切削拋光工件表面時(shí)剪切增稠,完成后稀化成初始黏度狀態(tài).由于所制備的磨料液具有可逆的剪切增稠與稀化效應(yīng),因此,可實(shí)現(xiàn)STP所需磨料液的流變行為,達(dá)到循環(huán)拋光.

圖6　STP拋光液的剪切增稠可逆性曲線Fig.6　Reversible shear thickening curve of STP slurry

2.2　Si3N4陶瓷工件表面形貌變化分析

Si3N4陶瓷經(jīng)拋光液(S3)進(jìn)行STP加工時(shí),工件表面粗糙度及反映表面形貌的特征曲線如圖7所示,表面微觀形貌SEM照片如圖8所示.由圖7、8可見(jiàn),未經(jīng)拋光的Si3N4陶瓷表面粗糙、有較多的破碎區(qū)及燒結(jié)試樣而形成的微觀孔隙,表面因前道磨削工序而形成的溝槽較多、寬且深.工件表面有很多較小的宏觀損傷和一定量的脆性去除.如圖7所示,Si3N4陶瓷經(jīng)STP加工后,表面粗糙度在初期快速減小,而在后期減幅變小,拋光150 min后表面粗糙度由 0.110 6 μm降至0.008 8 μm,表明STP磨料液對(duì)Si3N4具有較好的拋光性能.在拋光前期,拋光液中的磨粒因受到不光滑表面微凸體頂部的接觸應(yīng)力作用而產(chǎn)生剪切增稠效應(yīng),黏度增大,形成作用效果類(lèi)似“柔性固結(jié)磨具”的“粒子簇”,CBN磨粒因受較大的把持力作用而對(duì)工件產(chǎn)生劃傷或顯微切削,如圖8(b)所示,磨粒的鋒利棱角對(duì)表面造成脆性剪切去除.隨著拋光進(jìn)程的循環(huán),磨粒不斷擠壓工件表面,形成一定的塑性變形區(qū)域(見(jiàn)圖8(c)),此時(shí)主要以塑性去除為主,表面不斷光滑,表面粗糙度進(jìn)一步降低.由于磨粒使工件表面經(jīng)受交變的接觸應(yīng)力,導(dǎo)致表層因疲勞而破壞,并且工件局部表面受磨粒的粘著與剪切作用而產(chǎn)生疲勞剝落的粘著磨損(見(jiàn)圖8(d)).在拋光后期,因持續(xù)的拋光導(dǎo)致摩擦生熱,使得工件表面材料發(fā)生局部流動(dòng)而產(chǎn)生拋光(見(jiàn)圖8(e)),工件表面不斷光滑平整,表面粗糙度明顯降低,拋光120 min后表面如圖8(e)所示,經(jīng)150 min拋光后達(dá)到圖8(f)所示的光滑表面.此外,由于拋光進(jìn)程為動(dòng)態(tài)循環(huán)過(guò)程,可減輕“粒子簇”對(duì)工件表面的“硬”沖擊,減少拋光劃痕、微裂紋等微觀損傷,降低表面粗糙度,達(dá)到“柔性拋光”.

圖7　STP時(shí)間不等時(shí)工件表面粗糙度及表面形貌曲線Fig.7　Curves of surface roughness and its surface profile with different time for STP

圖8　拋光前、后工件表面的SEM形貌Fig.8　SEM morphology of workpiece surface before and after po-lishing

2.3　Si3N4陶瓷工件表層應(yīng)力分析

通過(guò)分析Si3N4陶瓷工件拋光前后的表層殘余應(yīng)力狀態(tài),可獲知STP加工技術(shù)對(duì)工件表面損傷的影響.文中分別對(duì)未拋光表面(經(jīng)過(guò)前道磨削工序)、STP拋光表面進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)算,采用sin2ψ法測(cè)得2θ對(duì)sin2ψ的斜率,并由式(8)[13]測(cè)算出工件表面拋光前、后的殘余應(yīng)力值:

(9)

式中,E為彈性模量,υ為泊松比,θ0為所選晶面在無(wú)應(yīng)力情況下的衍射角,ψ為試樣表面法線與所選晶面法線的夾角,θψ為所選晶面實(shí)際測(cè)量的衍射角.

經(jīng)計(jì)算可知,初始工件磨削后的表面應(yīng)力狀態(tài)為殘余拉應(yīng)力(210 MPa).由于STP為持續(xù)微切屑“柔性拋光”,在STP加工過(guò)程中具有一定的切削力,使工件表層溝槽紋理大部分得到去除,極大地改善工件表面質(zhì)量,工件表面應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生明顯的變化,表面形成一定塑性變形層并處于壓縮狀態(tài),從而使殘余應(yīng)力由拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力,其值為134 MPa(拋光液S1加工).此外,當(dāng)拋光液由S2變?yōu)镾5,即隨著磨粒粒徑由微米級(jí)向納米級(jí)減小時(shí),殘余應(yīng)力不斷降低,達(dá)到-93 MPa(壓應(yīng)力).與文獻(xiàn)[20]中拋光加工Si3N4的殘余應(yīng)力由220 MPa下降至199.60 MPa相比,文中的STP加工工件表面應(yīng)力變化幅度要大得多.經(jīng)STP加工后表面由初始拉應(yīng)力變成壓應(yīng)力,應(yīng)力值大幅減小,CBN粒徑越小可使應(yīng)力值降幅更大,說(shuō)明STP加工可高效去除原有表面損傷層,且新引入損傷很小,有利于延長(zhǎng)Si3N4的使用壽命[14].

2.4　Si3N4陶瓷的STP拋光特性

STP材料去除量變化情況如圖9所示.利用STP磨料液(S1-S5)進(jìn)行拋光時(shí),Si3N4材料去除率(材料去除量與時(shí)間的比值)初期變化范圍為5.00～2.40 μm/h,拋光90 min后材料去除率減至3.24～2.04 μm/h,如圖9(a)所示.材料去除量隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而增大,表明STP為持續(xù)磨損過(guò)程.在拋光初期,材料去除量增加很快，而后增幅漸趨平緩.這是因?yàn)榍捌诠ぜ砻娲植?、微凸體較多,拋光主要去除表面微觀粗糙峰,去除量較大;隨著拋光時(shí)間的延長(zhǎng),材料去除量不斷增大,工件表面粗糙度減小,相應(yīng)的粗糙峰也減少,因而去除速度變得緩慢,去除量增幅減慢.圖9(b)表明,利用拋光液(S4)進(jìn)行Si3N4的STP加工時(shí),材料去除量理論值與試驗(yàn)值曲線具有一定的相似性,理論值與試驗(yàn)值之間的平均誤差約為12.3%,表明在拋光區(qū)域內(nèi)STP材料去除理論模型能夠反映試驗(yàn)加工的真實(shí)情況,具有一定的有效性.

圖9　材料去除量變化情況Fig.9　Variation of material removal

圖10　表面粗糙度變化情況Fig.10　Variation of surface roughness

剪切增稠拋光工件表面粗糙度變化如圖10所示.圖10(a)表明,利用STP磨料液(S1-S5)進(jìn)行拋光時(shí),Si3N4陶瓷材料的表面粗糙度隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而不斷減小,經(jīng)拋光90 min后,表面粗糙度由108.9～111.1 nm降至22.0～10.7 nm,隨著拋光的持續(xù)進(jìn)行,表面粗糙度進(jìn)一步降至9.6～7.2 nm,表明STP加工能夠進(jìn)行粗拋后的精密拋光.此外,在同等磨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)下,磨粒粒徑達(dá)到納米級(jí)時(shí),表面粗糙度相對(duì)于微米級(jí)粒徑有更大的下降趨勢(shì),這可能是因?yàn)?在單位質(zhì)量分?jǐn)?shù)下,粒徑越小,磨粒越多,參與加工的有效剪切增稠“粒子簇”磨粒越多,而拋光后表面粗糙度與切削深度成正比,在相同的拋光條件下,單個(gè)粒子承擔(dān)的壓力越小,切削深度越小,從而使表面粗糙度在一定程度上有所減小[8].圖10(b)表明,在STP加工過(guò)程中,Si3N4的表面粗糙度理論值與試驗(yàn)值具有一定的吻合度,理論值與試驗(yàn)值之間的平均誤差約為9.5%,表明在拋光區(qū)域內(nèi)，STP表面粗糙度理論模型能夠反映試驗(yàn)加工的真實(shí)情況,具有一定的預(yù)測(cè)性.在本試驗(yàn)條件下,Si3N4在STP拋光中的表面粗糙度隨著拋光進(jìn)程的持續(xù)而下降,但不是一直下降,而是達(dá)到一定的數(shù)值范圍(7.1～8.5 nm),難以獲得更小表面粗糙度值的表面,有關(guān)這方面的研究將有待進(jìn)一步探索.

3結(jié)論

(1)采用機(jī)械混合與超聲波分散法成功制備出一種含不同CBN磨粒粒徑的STP拋光液,該拋光液具有可逆的剪切增稠和稀化效應(yīng),能夠?qū)崿F(xiàn)STP加工所需拋光液的流變行為.

(2)通過(guò)控制STP拋光液中的磨粒粒徑可以達(dá)到控制Si3N4陶瓷加工效率與表面質(zhì)量的目的,且材料去除量和表面粗糙度的理論值能夠反映試驗(yàn)值的變化,具有一定的有效性.

(3)Si3N4陶瓷的STP加工為持續(xù)微切屑“柔性拋光”過(guò)程.工件表面的溝槽紋理在加工初期為粘著、脆性剪切去除,在加工后期為塑性去除,從而極大地改善了工件表面質(zhì)量.工件表層應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生明顯變化,由初始?xì)堄嗬瓚?yīng)力210 MPa變?yōu)閴簯?yīng)力134 MPa,當(dāng)磨粒粒徑由微米級(jí)減小到納米級(jí)時(shí)將有利于降低所形成CBN“粒子簇”對(duì)工件表面的“硬”沖擊,使殘余壓應(yīng)力繼續(xù)降至93 MPa,說(shuō)明STP技術(shù)可高效去除原有表面損傷層,且新引入損傷很小.

(4)隨著拋光時(shí)間的延長(zhǎng),Si3N4陶瓷去除量先快速增大而后趨緩,拋光90 min后,去除率由初期5.00～2.40 μm/h減至3.24～2.04 μm/h.表面粗糙度Ra隨拋光時(shí)間的延長(zhǎng)而不斷減小,經(jīng)拋光90 min后,表面粗糙度由108.9～111.1 nm降至22.0～10.7 nm,拋光150 min后可進(jìn)一步降至9.6～7.2 nm,表明STP能夠進(jìn)行Si3N4陶瓷粗拋后的精密拋光.

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Experimental Investigation into Si3N4Ceramics Machined via Shear-Thickening Polishing Method

LiMin1YuanJu-long1, 2LüBing-hai2YaoWei-feng2DaiWei-tao2

(1. National Engineering Research Center for High Efficiency Grinding, Hunan University, Changsha 410082, Hunan, China;

2. Key Laboratory of Special Purpose Equipment and Advanced Processing Technology of Ministry of Education, Zhejiang

University of Technology, Hangzhou 310014, Zhejiang, China)

Abstract:In the investigation, the control strategy of ultra-precision machining of Si3N4ceramics is analyzed on the basis of the principle of shear thickening polishing (STP), and the rheological behaviors of the prepared STP slurry with cubic boron nitride (CBN) abrasives are discussed. Then, the variations of the surface morphology and surface residual stress state of Si3N4ceramics before and after the polishing are analyzed to reveal the polishing characteristics of STP. The results show that (1) the slurry displays a reversible shear thinning and shear thickening behavior, which meets the requirement of the slurry for processing STP; (2) the machining efficiency and surface quality of Si3N4ceramics can be controlled by changing the grain size of CBN abrasives, and the theoretical values of the material removal and the surface roughness can reflect the change of experimental values; (3) the STP removal of Si3N4is a continuous micro cutting process named "flexible polishing", in which the brittle shear or the adhesive wear is employed in the initial stage of machining and the ductile removal of the microscopic plastic flow is used in the later stage; (4)when the grain size reaches nanoscale, the surface stress state of Si3N4will change from the initial residual tensile stress to the compressive stress, which means that the STP can efficiently remove the damage layer of the original surface and produce merely new small damage; (5) with the extension of the polishing time, the material removal amount of Si3N4first increases quickly and then tend to increase slowly; (6) after poli-shing for 90 min, the material removal rate decreases from 5.00~ 2.40 μm/h to 3.24 ~ 2.04 μm/h and the surface roughnessRareduces from 108.9~111.1 nm to 22.0～10.7 nm; and (7) after polishing for 150 min,Racan be reduced to 9.6~7.2 nm, which indicates that STP process achieves the precision polishing of Si3N4ceramics.

Key words:shear-thickening polishing; silicon nitride; rheological behavior; stress condition; material removal; precision polishing

中圖分類(lèi)號(hào)：TG580.6

doi：10.3969/j.issn.1000-565X.2015.09.018

作者簡(jiǎn)介：李敏(1983-),男,博士生,講師,主要從事精密與超精密加工技術(shù)及裝備研究.E-mail: li-min-wax@163.com? 通信作者： 呂冰海(1978-),男,博士,研究員,主要從事精密與超精密加工技術(shù)及裝備研究.E-mail: icewater7812@126.com

*基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51175166,51175468,50975085);海外及港澳學(xué)者合作研究基金資助項(xiàng)目(51228501);浙江省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(LZ12E05001);浙江省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2013C31014)

收稿日期：2014-12- 08

文章編號(hào)：1000-565X(2015)09-0113-08

Foundation items： Supported by the National Natural Science Foundation of China(51175166,51175468,50975085), the Joint Research Fund for Overseas Chinese,Hong Kong and Macao Scholars(51228501),the Natural Science Foundation of Zhejiang Pro-vince(LZ12E05001) and the Science and Technology Plan of Zhejiang Province(2013C31014)