丁 凱，李奇林，蘇宏華，陳玉榮

(1.江蘇理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常州 213001)(2.南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，南京 210016)

硬脆材料、復(fù)合材料如先進(jìn)陶瓷材料[1]、光學(xué)玻璃/晶體[2-3]、陶瓷基復(fù)合材料[4-6]、CFRP[7-8]等一般具有密度低、強(qiáng)度高、耐高溫、耐磨損等性能，在航空航天、空間技術(shù)、醫(yī)學(xué)、精密制造等領(lǐng)域具有極其廣闊的應(yīng)用前景[9]。工程應(yīng)用時(shí)，此類(lèi)構(gòu)件一般需經(jīng)機(jī)械加工以達(dá)到其較高的尺寸形狀精度和表面質(zhì)量要求，同時(shí)要求較小的切削力以盡量減小加工時(shí)的機(jī)械損傷[10-11]。由于其具有高硬脆性特點(diǎn)，目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)此類(lèi)材料最廣泛采用的加工方法是金剛石砂輪磨削加工法[6]。

迄今為止，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已采用多種工藝對(duì)硬脆材料開(kāi)展磨削加工研究，如緩進(jìn)給磨削、高速磨削、高速深磨[12-13]等。在這些磨削工藝下，硬脆材料去除方式基本以脆性去除為主[11, 13-14]，常引起材料表面/亞表面損傷，造成零件加工后的力學(xué)性能下降進(jìn)而影響其使用性能；而研磨和拋光雖可有效改善其加工表面的損傷狀況，但生產(chǎn)效率很低。1991年，BIFANO等[15]提出了延性域磨削概念，認(rèn)為采用高剛度、高分辨率的精密磨床，且在控制進(jìn)給率、小切深條件下，當(dāng)單顆磨粒磨削厚度小于某一個(gè)臨界值時(shí)，硬脆材料的去除將以塑性方式進(jìn)行。1996年，MALKIN等[16]系統(tǒng)總結(jié)了其他學(xué)者的研究成果，認(rèn)為除磨削載荷、磨削尺度以外，硬脆材料磨削過(guò)程中的脆延性轉(zhuǎn)變還依賴(lài)于刀具半徑、磨粒前角、材料的晶粒尺寸與晶向、切削方向等。2005年，PATTEN等[17]通過(guò)單點(diǎn)金剛石車(chē)削單晶碳化硅試驗(yàn)證明，在切深小于500 nm條件下，分布于切削區(qū)域的高壓相變現(xiàn)象導(dǎo)致SiC材料以延性方式去除；2017年，LI等[18]對(duì)單晶硅的磨削研究表明，在切深100 nm條件下，材料將主要以延性方式被去除。綜合上述研究可以發(fā)現(xiàn)，硬脆材料的延性域磨削技術(shù)對(duì)機(jī)床的剛度、運(yùn)動(dòng)精度及加工環(huán)境等要求極為嚴(yán)格[15]，同時(shí)對(duì)磨削工藝參數(shù)的要求也較為苛刻。這些要求決定了硬脆材料精密加工的低效率與高成本。因此，尋找其他可實(shí)現(xiàn)硬脆材料高效優(yōu)質(zhì)加工的先進(jìn)技術(shù)迫在眉睫。

超聲輔助磨削是集普通磨削與超聲加工于一體的高性能復(fù)合加工技術(shù)。該技術(shù)是在傳統(tǒng)機(jī)械加工中工具與工件相對(duì)運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上，通過(guò)超聲振動(dòng)裝置在工具或者工件上施加超聲振動(dòng)，以求改善材料加工性能的一種方法[19-22]。由于引入了超聲振動(dòng)作用，工具與工件之間的接觸狀態(tài)和作用機(jī)理均發(fā)生變化，材料去除機(jī)理也得以改變。諸多研究[6, 23-26]表明，在一定的工藝條件下，相比于普通磨削，超聲輔助磨削可降低磨削力、砂輪磨損量并改善加工質(zhì)量，是一種非常適合于硬脆材料的先進(jìn)加工技術(shù)。

本文首先對(duì)不同超聲振動(dòng)條件下的硬脆材料超聲輔助磨削加工的振動(dòng)類(lèi)型及其加工特性進(jìn)行了總結(jié)；在此基礎(chǔ)上，對(duì)硬脆材料超聲振動(dòng)輔助作用下的延性域磨削機(jī)理、超聲輔助磨削時(shí)振動(dòng)參數(shù)與磨削工藝參數(shù)的匹配性進(jìn)行了綜述；最后對(duì)硬脆材料超聲輔助磨削技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了展望。

1 超聲輔助磨削的振動(dòng)類(lèi)型及其加工特性

1.1 超聲輔助磨削振動(dòng)類(lèi)型

迄今為止，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)不同振動(dòng)類(lèi)型(振動(dòng)維數(shù)、振動(dòng)方向及與磨削加工表面的相對(duì)位置關(guān)系)下不同種類(lèi)的硬脆材料開(kāi)展了超聲輔助磨削研究。綜合現(xiàn)有報(bào)道可以發(fā)現(xiàn)，不同的振動(dòng)類(lèi)型產(chǎn)生的加工效果有顯著差異。按照振動(dòng)維數(shù)的不同，超聲輔助磨削的振動(dòng)形式包括一維振動(dòng)及二維振動(dòng)[27-29]：一維振動(dòng)即超聲振動(dòng)系統(tǒng)只沿一個(gè)方向產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)方向平行或者垂直于磨削加工表面；二維振動(dòng)指超聲振動(dòng)系統(tǒng)沿2個(gè)方向同時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)。

1.1.1 一維超聲振動(dòng)輔助磨削

一維振動(dòng)形式下，常見(jiàn)的超聲振動(dòng)類(lèi)型有3種，分別為沿砂輪軸向振動(dòng)、徑向振動(dòng)及切向(扭轉(zhuǎn))振動(dòng)，如圖1所示[27]。在圖1所示的位置關(guān)系下，振動(dòng)方向與磨削表面的位置關(guān)系包括平行(軸向/切向振動(dòng))和垂直(徑向振動(dòng))2種狀態(tài)。

(1)超聲振動(dòng)方向平行于磨削表面

20世紀(jì)60年代，隈部淳一郎[30]對(duì)振動(dòng)方向沿砂輪軸向的超聲輔助磨削進(jìn)行了研究，首先提出了超聲輔助磨削表面微細(xì)溝槽自成機(jī)理。他認(rèn)為相比于普通磨削，超聲輔助磨削時(shí)砂輪工作層同一圓周、軸線方向上相鄰磨粒的運(yùn)動(dòng)軌跡之間出現(xiàn)交錯(cuò)重疊現(xiàn)象或者在原有基礎(chǔ)上得以強(qiáng)化(見(jiàn)圖2)，使得切屑被截短、體積變小，因此可獲得較小的磨削力和較優(yōu)的表面質(zhì)量。張洪麗等[31-33]的研究也支持這一觀點(diǎn)。閆燕艷[32]認(rèn)為，當(dāng)磨粒平均直徑小于軸向超聲振幅時(shí)，磨粒之間完全干涉、切削路徑相互截?cái)嗟男Ч靡詮?qiáng)化，磨削表面上未切除痕跡將完全“消失”，最終達(dá)到了鏡面加工效果。

圖2 超聲振動(dòng)方向平行于磨削表面時(shí)的作用機(jī)理

在沿砂輪切線方向超聲振動(dòng)條件下，WANG等[34]通過(guò)理論及仿真分析認(rèn)為，磨削表面形成于單顆磨粒及相鄰磨粒運(yùn)動(dòng)軌跡之間的相互重疊及干涉交錯(cuò)作用。YANG等[35]的研究也獲得了類(lèi)似的結(jié)論，并且提出了“接觸率”(contact rate)這一概念，認(rèn)為接觸率由磨削參數(shù)和超聲振動(dòng)參數(shù)共同決定，進(jìn)而影響磨削過(guò)程中的超聲振動(dòng)效應(yīng)。張洪麗[31]通過(guò)理論分析認(rèn)為：切向超聲振動(dòng)輔助磨削過(guò)程中，部分磨粒與磨削表面存在分離過(guò)程，即同時(shí)參加切削的磨粒數(shù)量會(huì)減少；而由于砂輪“后退-前進(jìn)”的往復(fù)運(yùn)動(dòng)特性，磨削表面在形成以后，將再次受到砂輪工作層磨粒的反復(fù)熨壓作用，從而有助于提高磨削表面質(zhì)量。此外，切向超聲振動(dòng)作用下工件材料的軟化效應(yīng)及超聲振動(dòng)潤(rùn)滑效應(yīng)顯著，也使得磨削力降低且更容易實(shí)現(xiàn)延性域磨削。

(2)超聲振動(dòng)方向垂直于磨削表面

MULT等[36]在工件振動(dòng)條件下開(kāi)展了超聲輔助磨削研究。他認(rèn)為，由于工件的正弦運(yùn)動(dòng)軌跡特征，磨粒在磨削過(guò)程中與工件呈斷續(xù)接觸狀態(tài)，總接觸時(shí)間減少，使得磨粒與磨削表面間的摩擦作用大幅度減弱；同時(shí)，磨削液的冷卻潤(rùn)滑效果得以大幅度增強(qiáng)。此外，磨粒以更大的動(dòng)能錘擊工件表面，從而促進(jìn)了表面微裂紋生成(見(jiàn)圖3)。UHLMANN等[37]持相同觀點(diǎn)，同時(shí)通過(guò)氮化硅普通磨削與超聲輔助磨削對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究，認(rèn)為超聲輔助磨削可強(qiáng)化砂輪的自銳效應(yīng)并增大磨削表面的殘余壓應(yīng)力，對(duì)改善硬脆材料的可加工性具有重要意義。

FRANK等[38]的研究表明，在這種振動(dòng)形式下，相比于普通磨削，超聲輔助磨削顯著增大了材料的脆性去除比例及材料去除率。TESFAY等[39]則認(rèn)為由于砂輪與工件間接觸時(shí)間縮短、摩擦作用及載荷降低，與普通磨削相比，超聲輔助磨削可顯著降低生物陶瓷材料加工邊緣的破碎損傷尺寸。ZHENG等[40]通過(guò)單顆磨?？虅潓?shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)振動(dòng)方向垂直于刻劃表面時(shí)，超聲振動(dòng)作用可降低磨削力，增大材料去除率，減輕磨粒表面磨屑黏附，但加劇了磨粒的破碎。

圖3 超聲振動(dòng)方向垂直于磨削表面時(shí)的作用機(jī)理

1.1.2 二維超聲振動(dòng)輔助磨削

目前常見(jiàn)的二維超聲振動(dòng)主要有2種，分別為沿砂輪軸向和切向同時(shí)振動(dòng)、沿砂輪軸向和徑向同時(shí)振動(dòng)[27]，如圖4所示。

閆燕艷[32]研制了工件沿砂輪軸向和徑向同時(shí)振動(dòng)的二維超聲振動(dòng)輔助磨削裝置。通過(guò)不同振動(dòng)形式下的單顆磨粒切削軌跡仿真，可知單顆磨粒切削軌跡為螺旋式。這一運(yùn)動(dòng)形式使得二維超聲輔助磨削過(guò)程中，一方面磨粒與工件呈斷續(xù)切削狀態(tài)，有利于磨粒切削刃保持鋒利及磨削溫度的降低；另一方面磨粒軌跡間的相互干涉效應(yīng)也得以強(qiáng)化，改善了加工表面的質(zhì)量。由于表面形成和磨削機(jī)理的改變，使磨削過(guò)程中磨削力降低，加工表面質(zhì)量改善，同時(shí)砂輪耐用度也得以增強(qiáng)。

LIANG等[41]開(kāi)發(fā)了工件沿砂輪軸向和徑向同時(shí)振動(dòng)的二維超聲振動(dòng)輔助磨削裝置。由于該裝置產(chǎn)生的超聲振動(dòng)兼具了軸向及徑向超聲振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)特征，其磨削作用同時(shí)具備了軸向超聲輔助磨削時(shí)的磨粒切削軌跡重疊作用和徑向超聲輔助磨削時(shí)的斷續(xù)磨削(冷卻潤(rùn)滑效應(yīng)增強(qiáng))、錘擊作用(砂輪自銳性增強(qiáng)、磨削表面裂紋易于萌生和擴(kuò)展)。WANG等[42]的研究則表明，該形式的二維超聲振動(dòng)輔助磨削可有效增大砂輪磨削過(guò)程中的有效磨粒數(shù)及切削刃密度，即超聲振動(dòng)作用顯著改善了砂輪的切削能力。CAO等[43]通過(guò)仿真及單顆磨?？虅潓?shí)驗(yàn)研究了砂輪徑向及軸向振動(dòng)條件下SiC材料的去除機(jī)理，認(rèn)為在此條件下，超聲振動(dòng)形成的磨粒對(duì)加工表面的沖擊作用(主要源于軸向振動(dòng))使變形區(qū)域擴(kuò)展，進(jìn)而增大了刻劃深度、徑向與橫向裂紋。

綜上所述，一維超聲振動(dòng)方向與磨削表面位置不同時(shí)，超聲振動(dòng)作用通過(guò)不同的作用機(jī)制影響磨削過(guò)程，從而使得超聲輔助磨削具有相應(yīng)的優(yōu)勢(shì)；而通過(guò)不同方向超聲振動(dòng)的復(fù)合，則可實(shí)現(xiàn)各自?xún)?yōu)勢(shì)的疊加，對(duì)于實(shí)現(xiàn)硬脆材料優(yōu)質(zhì)高效加工具有重要意義。

1.2 超聲輔助磨削加工特性

與不同的超聲振動(dòng)作用機(jī)制相對(duì)應(yīng)，當(dāng)超聲振動(dòng)維數(shù)、振動(dòng)方向與磨削表面位置不同時(shí)，超聲輔助磨削可分別具有降低磨削力、改善工件表面加工質(zhì)量等優(yōu)勢(shì)。

1.2.1 磨削力

磨削力與磨削表面粗糙度、砂輪磨損狀態(tài)、磨削比能等均有直接關(guān)系，是用來(lái)判定磨削狀態(tài)的重要參數(shù)。一維振動(dòng)條件下，當(dāng)超聲振動(dòng)方向平行于磨削表面時(shí)，JIANG等[44]對(duì)K9光學(xué)玻璃開(kāi)展了超聲輔助磨削實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)法向磨削力隨振幅的增大而降低；SUN等[45]基于材料去除機(jī)理分析建立了超聲輔助磨削力模型，并通過(guò)微晶玻璃超聲輔助磨削實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明：磨削力模型計(jì)算值與測(cè)量值之間的誤差在11.5%以下；此外，相比于普通磨削，超聲輔助磨削可降低法向力約27.3%、切向力約22.5%。而當(dāng)超聲振動(dòng)方向垂直于磨削表面時(shí)，MULT等[36]針對(duì)Al2O3、Si3N4的超聲輔助磨削實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：超聲振動(dòng)作用可顯著降低磨削力，其中法向力最大降低幅度可達(dá)50%；LIANG等[41]的超聲輔助磨削單晶硅的實(shí)驗(yàn)同樣表明：超聲振動(dòng)作用最大可降低法向磨削力約50%，而在二維振動(dòng)條件下，超聲輔助磨削相比于普通磨削可降低磨削力約30%。

1.2.2 表面粗糙度

一維振動(dòng)條件下，當(dāng)超聲振動(dòng)方向平行于磨削表面時(shí)，JIANG等[44]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，K9光學(xué)玻璃超聲輔助磨削表面粗糙度隨振幅的增大有所增大，但影響程度弱于磨削速度、磨削深度等參數(shù)的。SUN等[45]開(kāi)展的微晶玻璃普通磨削與超聲輔助磨削對(duì)比實(shí)驗(yàn)則表明，相比于普通磨削，超聲輔助磨削可降低表面粗糙度約18%。當(dāng)超聲振動(dòng)方向垂直于磨削表面時(shí)，MULT等[36-37]的研究均表明超聲振動(dòng)作用將使磨削表面粗糙度略有增大；LIANG等[41]的研究也得到了相同的結(jié)論。二維振動(dòng)條件下，JIA等[46]研究了ZrO2陶瓷在二維超聲振動(dòng)輔助磨削與普通磨削條件下的加工表面質(zhì)量差異。結(jié)果表明，與普通磨削相比，該形式的二維超聲輔助磨削可顯著改善工件表面粗糙度。ZHAO等[47]開(kāi)發(fā)了新型二維超聲輔助磨削裝置，并應(yīng)用該裝置開(kāi)展了氧化鋯陶瓷的普通磨削及超聲輔助磨削對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明二維超聲輔助磨削可降低表面粗糙度，最大降低幅度可達(dá)30%。

綜合現(xiàn)有研究可以看出，對(duì)于超聲振動(dòng)方向平行于磨削表面的一維超聲振動(dòng)輔助磨削或者二維超聲振動(dòng)輔助磨削而言，其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在可同時(shí)降低磨削力及表面粗糙度；而對(duì)于超聲振動(dòng)方向垂直于磨削表面的一維超聲振動(dòng)輔助磨削，其主要優(yōu)勢(shì)則體現(xiàn)在磨削力的大幅降低，但同時(shí)表面粗糙度略有增大。

2 硬脆材料超聲輔助磨削加工機(jī)理

2.1 延性域加工機(jī)理

自從1991年BIFANO等[15]系統(tǒng)提出硬脆材料延性域磨削技術(shù)以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)這一領(lǐng)域進(jìn)行了大量的研究。BIFANO等[15, 48]從磨削比能的角度進(jìn)行了脆性材料磨削時(shí)材料去除方式脆延性轉(zhuǎn)變分析，并建立了基于材料力學(xué)性能的脆延轉(zhuǎn)變臨界切厚模型；MALKIN等[16]對(duì)硬脆材料延性域磨削的諸多影響因素進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)；VENKATACHALAM等[49-50]也分別從斷裂韌性模型、切削比能模型角度預(yù)測(cè)了硬脆材料的脆延轉(zhuǎn)變臨界切厚；PATTEN等[17]的研究表明切削區(qū)域的高壓相變現(xiàn)象是導(dǎo)致硬脆材料實(shí)現(xiàn)延性去除的主要原因；而XIAO等[51]的研究則表明高壓相變及位錯(cuò)活動(dòng)的共同作用導(dǎo)致了脆性材料的延性去除，其中位錯(cuò)活動(dòng)起主要作用。除此之外，CHENG等[52-57]也從不同角度研究了硬脆材料的延性域磨削。然而，如前所述，現(xiàn)有磨削技術(shù)雖然可以實(shí)現(xiàn)硬脆材料的延性域磨削，但仍然存在一些問(wèn)題，例如要求機(jī)床具有高剛度及高分辨率、高運(yùn)動(dòng)精度、較低水平的磨削工藝參數(shù)等，條件相對(duì)較為苛刻，同時(shí)加工效率相對(duì)較低。在這種背景下，許多技術(shù)人員尋求其他加工方法以突破上述技術(shù)瓶頸。從諸多研究來(lái)看，超聲輔助磨削在硬脆材料精密加工領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用潛力巨大。

依據(jù)BIFANO等[15]提出的脆性材料延性域磨削理論，實(shí)現(xiàn)硬脆材料的延性域磨削應(yīng)滿(mǎn)足最大單顆磨粒切厚小于脆-延轉(zhuǎn)變臨界切厚這一條件。對(duì)于超聲輔助磨削而言，同樣應(yīng)遵循這一原則。因此，脆-延轉(zhuǎn)變臨界切厚、最大單顆磨粒切厚是硬脆材料超聲輔助磨削過(guò)程中的2個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。一方面，相比于普通磨削，超聲輔助磨削時(shí)工具、工件間的接觸狀態(tài)和相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生了顯著變化，磨粒與加工表面之間存在高頻變化的強(qiáng)沖擊作用，磨削弧區(qū)應(yīng)力場(chǎng)分布也發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致材料內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生及擴(kuò)展機(jī)制不同，最終影響了硬脆材料的脆-延轉(zhuǎn)變臨界切厚[58-59]；另一方面，由于超聲振動(dòng)作用(尤其是平行于磨削表面的振動(dòng)作用)的引入，砂輪工作層磨粒的運(yùn)動(dòng)軌跡由普通磨削時(shí)的擺線變化為空間曲線，致使磨削弧區(qū)內(nèi)的磨粒運(yùn)動(dòng)軌跡長(zhǎng)度延長(zhǎng)且相互干涉重疊，單顆磨粒切厚減小。這兩方面的共同作用決定了超聲輔助磨削更易于實(shí)現(xiàn)硬脆材料的延性域加工。

2.1.1 超聲振動(dòng)作用對(duì)脆-延轉(zhuǎn)變臨界切厚的影響

BIFANO等[15]通過(guò)顯微壓痕法在靜態(tài)緩慢加載條件下建立了適用于先進(jìn)陶瓷普通磨削時(shí)的脆-延轉(zhuǎn)變臨界切厚模型。但超聲輔助磨削條件與此差別較大，該模型是否適用仍需進(jìn)一步研究。

梁志強(qiáng)等[60]基于光滑質(zhì)點(diǎn)流體動(dòng)力學(xué)法對(duì)不同沖擊速度下Al2O3陶瓷材料的內(nèi)部裂紋產(chǎn)生與擴(kuò)展情況進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明：超聲振動(dòng)效果越強(qiáng)側(cè)向裂紋越易于產(chǎn)生，但會(huì)導(dǎo)致擴(kuò)展速度降低、尺寸減小，工件材料延性域去除范圍變大。CHEN等[61]建立了硬脆材料橢圓超聲振動(dòng)輔助磨削的磨削比能模型，在此基礎(chǔ)上采用MATLAB對(duì)脆-延轉(zhuǎn)變臨界切厚進(jìn)行了預(yù)測(cè)，結(jié)果表明：砂輪軸向振動(dòng)可增大臨界切厚值，而砂輪徑向振動(dòng)是否有益于延性域磨削取決于振幅水平是否合理；同時(shí)，超聲振動(dòng)頻率對(duì)材料延性去除也是非常重要的參數(shù)。

除仿真分析外，單顆磨粒磨削方法可在與磨削加工相似的磨粒與材料干涉作用過(guò)程中不受其他磨粒的影響，同樣是研究復(fù)雜超聲輔助磨削過(guò)程中硬脆材料脆-延轉(zhuǎn)變臨界切厚變化規(guī)律和影響因素的有效手段[62-64]。ZHOU等[63]采用金剛石壓頭對(duì)BK7及JGS1玻璃開(kāi)展了超聲輔助刻劃實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為超聲振動(dòng)作用可顯著增大玻璃材料的脆-延轉(zhuǎn)變臨界切厚。LIANG等[64]研究了單顆金剛石磨粒橢圓超聲振動(dòng)輔助刻劃單晶藍(lán)寶石材料的劃痕微觀形貌及橫截面深度、寬度尺寸，發(fā)現(xiàn)壓電陶瓷輸入電壓從0 V(普通磨削)增大至50 V、100 V(振幅相應(yīng)增大)時(shí)，脆-延轉(zhuǎn)變臨界切厚從0.312 μm相應(yīng)增大至0.509 μm、1.146 μm，同樣表明超聲輔助磨削更易于實(shí)現(xiàn)延性域磨削。

2.1.2 超聲振動(dòng)作用對(duì)最大單顆磨粒切厚的影響

根據(jù)磨削理論，普通磨削時(shí)砂輪工作表面單顆磨粒與工件的干涉作用可用單顆磨粒最大切厚agmax來(lái)表示，該參數(shù)是影響磨削過(guò)程的主要因素，直接影響了磨削力、磨削比能、砂輪磨損、表面粗糙度，加工表面殘余應(yīng)力性質(zhì)、大小和分布狀態(tài)[65]。相同地，可以推斷超聲輔助磨削時(shí)同樣存在影響加工過(guò)程的關(guān)鍵參數(shù)單顆磨粒最大切厚aUgmax。因此，控制aUgmax是控制超聲輔助磨削過(guò)程及加工質(zhì)量的重要途徑。隈部純一郎等[30-31]的著作均提到，對(duì)于振動(dòng)方向平行于磨削表面的狀態(tài)，單顆磨粒切厚減小從而使得超聲輔助磨削表面質(zhì)量得以改善。

對(duì)于普通磨削，砂輪直徑、砂輪工作面磨粒分布、磨削用量等參數(shù)直接決定agmax的大小，MALKIN已建立了準(zhǔn)確的數(shù)值模型[66]。對(duì)于超聲輔助磨削過(guò)程，JAIN等[67]在將單顆磨粒運(yùn)動(dòng)曲線由空間正弦曲線簡(jiǎn)化為三角形的條件下研究了單顆磨粒切厚，結(jié)果表明：除工具參數(shù)和磨削用量之外，單顆磨粒切厚還與振幅、諧振頻率相關(guān)，但沒(méi)有詳細(xì)闡述振動(dòng)參數(shù)對(duì)單顆磨粒切厚的影響規(guī)律。另外，該研究對(duì)超聲輔助磨削過(guò)程中的磨粒運(yùn)動(dòng)軌跡曲線做了較大程度的簡(jiǎn)化，計(jì)算精度有待于進(jìn)一步提高。整體而言，由于目前尚沒(méi)有成熟的aUgmax模型，振動(dòng)頻率及振幅對(duì)aUgmax的影響也難以精確描述。

綜上所述，目前國(guó)內(nèi)外研究人員已經(jīng)對(duì)超聲輔助磨削硬脆材料實(shí)現(xiàn)延性域加工時(shí)的2個(gè)關(guān)鍵參數(shù)(即脆-延轉(zhuǎn)變臨界切厚和單顆磨粒最大切厚)開(kāi)展了相關(guān)研究，但尚沒(méi)有建立精確的數(shù)值模型，阻礙了硬脆材料延性域磨削技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

2.2 粉末化加工機(jī)理

除延性域磨削外，也有學(xué)者提出了不同的硬脆材料磨削加工機(jī)理，即粉末化去除機(jī)理。1994年，ZHANG等[68]在其研究中做出如下論述：在陶瓷材料磨削加工過(guò)程中，能量主要耗散于材料內(nèi)部的變形抵抗機(jī)制。對(duì)于精密磨削工藝而言，當(dāng)陶瓷材料晶粒從微米級(jí)破碎成亞微米級(jí)甚至更小的尺寸時(shí)，將出現(xiàn)材料粉末化現(xiàn)象，且材料碎化是晶?；婆c解理現(xiàn)象的進(jìn)一步擴(kuò)展，因此其將消耗比脆性斷裂、塑性變形更多的能量。這意味著在微小磨削深度條件下，粉末化可能是最主要的材料去除機(jī)理，而非脆性斷裂和塑性變形。隨后他針對(duì)Si3N4和Al2O3陶瓷開(kāi)展了磨削試驗(yàn)，結(jié)果表明：當(dāng)磨粒切厚小于某一臨界值時(shí)，材料僅以粉末化形式被去除，而沒(méi)有觀察到塑性去除方式。而粉末化去除的主要影響因素為砂輪結(jié)合劑類(lèi)型、磨粒粒度及材料性能。ZHANG還從原子角度對(duì)粉末化去除機(jī)理進(jìn)行了解釋?zhuān)矗禾沾刹牧夏ハ鲿r(shí)，磨削弧區(qū)存在著流體靜壓應(yīng)力、剪切應(yīng)力和拉應(yīng)力疊加作用的復(fù)雜應(yīng)力場(chǎng)；在應(yīng)力作用下，材料內(nèi)部首先出現(xiàn)晶格畸變或彈性變形；隨著剪切應(yīng)力增大，某些滑移面首先出現(xiàn)位錯(cuò)現(xiàn)象；剪切應(yīng)力進(jìn)一步增大，將出現(xiàn)結(jié)合鍵斷裂，相應(yīng)地材料表現(xiàn)為粉末化去除。

基于上述研究，ZHANG在其本人或其參與的后續(xù)研究[69-72]中，采用類(lèi)似的方法對(duì)硬脆材料磨削加工亞表面損傷形式、形成機(jī)理、影響因素等進(jìn)行了嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的研究，極大地豐富了硬脆材料磨削加工理論。而在硬脆材料超聲輔助磨削研究領(lǐng)域，關(guān)于粉末化加工機(jī)理的相關(guān)研究尚沒(méi)有相關(guān)報(bào)道，上述研究成果具有很好的借鑒意義。

3 超聲振動(dòng)參數(shù)與磨削工藝匹配性

諸多研究[26-27, 30-32, 36-37]表明，超聲振動(dòng)狀態(tài)下磨粒運(yùn)動(dòng)軌跡的變化，直接決定了超聲輔助磨削具有磨粒軌跡重疊、斷續(xù)磨削等特征，使得脆-延轉(zhuǎn)變臨界切厚、單顆磨粒切厚水平發(fā)生變化，最終改變了硬脆材料磨削加工機(jī)理。而超聲輔助磨削時(shí)磨粒運(yùn)動(dòng)軌跡的變化程度則由磨削用量與超聲振動(dòng)參數(shù)共同決定。因此，磨削用量與超聲振動(dòng)參數(shù)的匹配性與超聲輔助磨削效果直接相關(guān)。

目前，國(guó)內(nèi)外研究人員在磨削用量與超聲振動(dòng)參數(shù)匹配性方面開(kāi)展了廣泛研究。在超聲振動(dòng)方向平行于磨削表面條件下，AZARHOUSHANG等[73-75]分別對(duì)C/C-SiC復(fù)合材料、Si3N4、ZrO2進(jìn)行了超聲輔助磨削加工。其中，AZARHOUSHANG等[73]在磨削速度vs= 30～120 m/s，進(jìn)給速度vw= 0.5～3.0 m/min，磨削深度ap= 0.05～6.00 mm，諧振頻率f= 20 kHz，振幅A= 8 μm條件下的研究結(jié)果表明：與普通磨削相比，超聲輔助磨削可降低磨削力約20%、表面粗糙度約30%。WANG等[74]在vs= 0.84～2.10 m/s，vw= 0.1～0.4 m/min，ap= 5～20 μm，f= 28 kHz，A= 10 μm條件下對(duì)Si3N4進(jìn)行了普通磨削與超聲輔助磨削對(duì)比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)與普通磨削相比，超聲輔助磨削可降低磨削力約28%～40%。YANG等[75]在vs= 1.2～2.1 m/s，vw= 20～42 mm/min，ap= 15～45 μm，f= 20 kHz，A= 6～20 μm條件下對(duì)ZrO2進(jìn)行了超聲輔助磨削對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明：超聲輔助磨削可降低磨削力約12.1%～37.6%。而在超聲振動(dòng)方向垂直于磨削表面的條件下，從MULT等[36-37,41,76]的研究結(jié)果也可以看出，即使在超聲振動(dòng)參數(shù)近乎相同、磨削用量差別較大的情況下，也可以產(chǎn)生非常接近的超聲輔助磨削效果。

上述研究充分證實(shí)了在較大范圍的磨削用量條件下，超聲輔助磨削均能體現(xiàn)降低磨削力、改善磨削表面質(zhì)量的優(yōu)勢(shì)。而對(duì)于如何實(shí)現(xiàn)超聲振動(dòng)參數(shù)與磨削用量更好的優(yōu)化組合以充分發(fā)揮超聲振動(dòng)作用，現(xiàn)有研究則涉及較少。DING等[77]通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)法對(duì)磨削用量與超聲振動(dòng)參數(shù)匹配性進(jìn)行了初步研究，結(jié)果如圖6所示。圖6中，UAG表示超聲輔助磨削，CG表示普通磨削，KF表示相同條件下超聲輔助磨削相比于普通磨削時(shí)的磨削力降低幅度，用以表征超聲振動(dòng)作用效果的強(qiáng)弱。結(jié)果表明：隨磨削速度的增大，KF值逐漸降低，意味著磨削速度的增大弱化了超聲振動(dòng)作用的效果。但圖5的試驗(yàn)中所采用的磨削速度仍較低，在1.26～31.50 m/s之間。整體而言，如何進(jìn)行磨削用量與超聲振動(dòng)參數(shù)的匹配性?xún)?yōu)化以促進(jìn)硬脆材料延性域磨削的實(shí)現(xiàn)仍有待于進(jìn)一步研究。

圖5 磨削速度對(duì)磨削力及KF的影響[77]

4 展望

綜合現(xiàn)有研究可知，對(duì)于硬脆材料而言，超聲輔助磨削技術(shù)具有降低磨削力、改善表面質(zhì)量、更易于實(shí)現(xiàn)延性域磨削等優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用前景廣闊。但同時(shí)應(yīng)認(rèn)識(shí)到，超聲輔助磨削技術(shù)在如下幾方面的研究仍需加強(qiáng)，以促進(jìn)該技術(shù)在硬脆材料加工領(lǐng)域的工程化應(yīng)用。

(1)振幅及振動(dòng)頻率對(duì)超聲輔助磨削性能具有決定性的影響。因此，致力于研發(fā)振動(dòng)性能長(zhǎng)久保持穩(wěn)定的超聲振動(dòng)系統(tǒng)，并研發(fā)能夠在超聲輔助磨削過(guò)程中實(shí)時(shí)測(cè)量振動(dòng)振幅的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有重要意義。

(2)超聲振動(dòng)狀態(tài)下砂輪表面磨粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化，是超聲輔助磨削具有一系列優(yōu)勢(shì)的重要原因。而傳統(tǒng)燒結(jié)或電鍍砂輪工作層磨粒以隨機(jī)分布為主，一定程度上影響了磨粒運(yùn)動(dòng)軌跡的可控性。因此，基于磨粒運(yùn)動(dòng)軌跡要求設(shè)計(jì)相應(yīng)的砂輪工作層磨粒排布方式，是充分保證超聲輔助磨削優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

(3)在探明超聲振動(dòng)作用對(duì)硬脆材料脆-延轉(zhuǎn)變臨界切厚影響規(guī)律的基礎(chǔ)上，控制磨削過(guò)程中的最大單顆磨粒切厚水平，是在超聲輔助作用下實(shí)現(xiàn)硬脆材料高質(zhì)量加工的關(guān)鍵問(wèn)題。因此，建立適用于超聲輔助磨削且通用性較強(qiáng)的硬脆材料脆-延轉(zhuǎn)變臨界切厚模型及最大單顆磨粒切厚模型，是超聲輔助磨削領(lǐng)域值得重視的研究?jī)?nèi)容。

(4)在一定的超聲振動(dòng)條件下，優(yōu)化磨削用量與超聲振動(dòng)參數(shù)的匹配性，提出可顯著降低單顆磨粒切厚、強(qiáng)化超聲振動(dòng)作用效果的磨削用量區(qū)間，進(jìn)一步強(qiáng)化對(duì)超聲輔助磨削過(guò)程中單顆磨粒切厚的控制能力，是實(shí)現(xiàn)硬脆材料延性域磨削的有效補(bǔ)充方法。