電火花機(jī)械復(fù)合磨削反應(yīng)燒結(jié)SiC陶瓷的表面特征

饒小雙，張飛虎*，劉立飛，李　琛

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.哈爾濱理工大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

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電火花機(jī)械復(fù)合磨削反應(yīng)燒結(jié)SiC陶瓷的表面特征

饒小雙1，張飛虎1*，劉立飛2，李琛1

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.哈爾濱理工大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

研究了基于電火花機(jī)械復(fù)合磨削技術(shù)加工的反應(yīng)燒結(jié)碳化硅(RB-SiC)陶瓷的表面特征。用電火花機(jī)械復(fù)合磨削(EDDG)、電火花磨削(EDG)以及普通磨削(CG)三種方法加工RB-SiC陶瓷，并采用激光共聚焦顯微鏡和掃描電子顯微鏡對(duì)加工后的SiC陶瓷的表面粗糙度、表面形貌及微觀裂紋進(jìn)行測(cè)量和對(duì)比試驗(yàn)，獲得了RB-SiC陶瓷的EDDG加工特性。實(shí)驗(yàn)顯示：EDDG加工的RB-SiC陶瓷的表面粗糙度優(yōu)于EDG加工的表面粗糙度，為0.214 9 μm，但比CG加工的表面粗糙度0.195 6 μm略差。對(duì)加工后的SiC陶瓷表面形貌觀察顯示， 傳統(tǒng)磨削加工后的表面存在明顯劃痕，EDG加工表面主要由放電凹坑組成，而EDDG加工表面同時(shí)存在放電凹坑和磨削劃痕；另外，傳統(tǒng)磨削表面也存在磨削裂紋和晶界裂紋，但EDG加工后的表面只存在熱裂紋，而EDDG加工后的表面存在磨削裂紋和熱裂紋，不過熱裂紋可以用金剛石磨粒磨削去除。對(duì)比實(shí)驗(yàn)顯示RB-SiC陶瓷的EDDG加工與EDG和CG加工獲得了不同的表面特征。

反應(yīng)燒結(jié)SiC；電火花機(jī)械復(fù)合磨削；表面粗糙度；表面形貌；微觀裂紋

1　引　言

碳化硅材料具有密度小、比剛度高、熱膨脹系數(shù)小、導(dǎo)熱系數(shù)大等優(yōu)點(diǎn)，成為空間光學(xué)中最具發(fā)展的反射鏡材料之一[1-3]。反應(yīng)燒結(jié)技術(shù)能夠較方便的制作大尺寸(1 000 mm以上口徑)、形狀復(fù)雜的輕量化RB-SiC反射鏡凈坯，輕量化程度達(dá)70%以上，在空間反射鏡制造領(lǐng)域具有明顯優(yōu)勢(shì)[4]，相比于HP-SiC和CVD-SiC在反射鏡應(yīng)用上更具優(yōu)勢(shì)。由于RB-SiC的硬度高、脆性大，采用固著磨料的方式進(jìn)行加工的效率低、成本高[5]。近年來，集合不同加工工藝的復(fù)合加工方法的出現(xiàn)，為提高難加工材料的加工效率提供了新的解決途徑，如電火花機(jī)械復(fù)合磨削(Electrical Discharge Diamond Grinding，EDDG)等。

EDDG結(jié)合了電火花加工(Electrical Discharge Machining，EDM)和機(jī)械磨削加工的復(fù)合加工方式，主要應(yīng)用于導(dǎo)電難加工材料的加工[6]。1995年，印度學(xué)者V.K. Jain將EDDG應(yīng)用于高速鋼的磨削中，發(fā)現(xiàn)材料的去除包括磨粒的切削去除和電火花引起的表面熔融[7-8]。工件加工表面材料的軟化，使金剛石磨粒的磨削加工變得容易，提高了材料去除率[9]。當(dāng)改變EDDG加工過程中的放電參數(shù)(如放電電流、峰值電壓、脈沖時(shí)間、占空比等)、工件與砂輪的放電極性以及工具電極轉(zhuǎn)速時(shí)，都會(huì)改變工件材料的去除率[8，10-11]。由于EDDG加工中存在著電火花加工，所以相比于普通磨削，導(dǎo)電難加工材料的加工表面質(zhì)量也會(huì)有所不同。K.M. Shu等[11]的研究表明，EDDG加工的HPM50模具鋼表面形貌較為復(fù)雜，包含因電蝕作用產(chǎn)生的淺凹坑、因材料熔融重鑄形成的球形顆粒以及熔融材料沉積處氣化蒸發(fā)而形成的麻坑等；而表面及亞表面損傷存在著重鑄層、熱影響層和基體材料層，在材料加工的熱影響區(qū)內(nèi)存在著明顯的微觀裂紋。S.S.Agrawal等[12]研究EDDG加工中脈沖電流和占空比對(duì)金屬基復(fù)合材料加工表面粗糙度的影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)隨電流和占空比的增加，金屬基復(fù)合材料加工表面粗糙度Ra值增大，R.N.Yadav等[13]的研究也得到類似的結(jié)果。

目前，EDDG加工研究主要集中在難加工金屬材料或金屬基復(fù)合材料上，對(duì)于陶瓷材料少有涉及。這主要因?yàn)榻^大多數(shù)陶瓷是非導(dǎo)電材料，要實(shí)現(xiàn)EDDG加工需加輔助電極或在工件材料表面涂抹導(dǎo)電涂層[14-15]。由于RB-SiC材料在制備過程中采用滲硅工藝，具有一定的導(dǎo)電性，因此可以采用EDDG加工。本文通過研究RB-SiC陶瓷的EDDG加工表面特征，對(duì)提高RB-SiC陶瓷的加工效率及EDDG在SiC反射鏡制造中的應(yīng)用具有實(shí)際意義。

2　EDDG加工原理

結(jié)合EDM和金剛石磨削來加工導(dǎo)電難加工材料的概念早在前蘇聯(lián)學(xué)者的研究中就有所報(bào)道，被稱之為EDDG加工，它同時(shí)利用了砂輪的金剛石磨粒和電火花對(duì)工件材料的作用[7]。這一過程不同于傳統(tǒng)意義上的電火花磨削(Electrical Discharge Grinding，EDG)，如圖1所示。

傳統(tǒng)意義的EDG加工是用于導(dǎo)電工件純粹的電火花腐蝕加工過程，原理上類似于EDM加工[16-17]。不同的是，EDG加工通常采用高純度石墨輪作為工具電極，同時(shí)石墨輪在加工過程中存在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在EDG加工中，石墨輪與工件材料之間不存在物理接觸作用，而是依靠石墨輪與工件材料間的間隙放電作用實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的去除，其加工原理如圖1(a)所示。

(a)EDG　(a)EDDG

(a)EDG　(a)EDDG

EDDG加工原理如圖1(b)所示。采用金屬基金剛石砂輪作為工具電極，并且在加工過程中，金剛石砂輪與工件材料之間存在著機(jī)械磨削作用，火花放電間隙主要依靠砂輪表面金屬結(jié)合劑基體表面與工件材料加工表面的間隙來保證。因此，在EDDG的材料去除過程中，同時(shí)存在著金剛石磨粒的機(jī)械磨削去除和電火花腐蝕去除。火花放電在微尺度方面熱軟化工件材料，方便研磨，減少磨削力，減輕砂輪堵塞程度，有利于發(fā)揮導(dǎo)電砂輪的切削能力，減少砂輪修整次數(shù)并相應(yīng)提高機(jī)械磨削效率[18]。

3　實(shí)驗(yàn)條件

3.1實(shí)驗(yàn)材料與工藝參數(shù)

實(shí)驗(yàn)中采用3塊具有一定導(dǎo)電性(電阻率為～1 453 Ω·cm[19])的反應(yīng)燒結(jié)SiC陶瓷作為樣件材料，其尺寸為40 mm×30 mm×8 mm。同時(shí)，為滿足電火花加工對(duì)加工工具電極導(dǎo)電性和機(jī)械磨削的要求，采用粒度為120#，直徑為Φ200 mm的金屬基結(jié)合劑金剛石砂輪作為加工工具。采用線切割絕緣乳化溶液作為工作液，實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)如表1所示。

表1　實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

3.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備及檢測(cè)方法

實(shí)驗(yàn)在FS420LC精密臥軸平面磨床上進(jìn)行，并采用HDMD-V型ELID鏡面磨削高頻脈沖電源提供EDDG和EDG加工過程中所需的脈沖電能，其開路電壓為60 V，90 V和120 V 3個(gè)檔位，脈沖放電的寬度和間隔均可在0～99 μs內(nèi)調(diào)節(jié)。在EDDG和EDG加工過程中，RB-SiC陶瓷樣件通過銅板接入脈沖電源的負(fù)極，其實(shí)驗(yàn)裝置原理如圖2所示。

圖2　實(shí)驗(yàn)裝置原理圖

實(shí)驗(yàn)采用OLS3000激光共聚焦顯微鏡對(duì)3種加工工藝下的RB-SiC陶瓷加工表面粗糙度進(jìn)行測(cè)量，采用冷場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)RB-SiC陶瓷加工表面形貌和微觀裂紋進(jìn)行觀察分析。

4　結(jié)果分析與討論

4.1表面粗糙度

表面粗糙度是衡量加工表面質(zhì)量的重要指標(biāo)。圖3所示為OLS3000激光共聚焦顯微鏡檢測(cè)到的3種加工方式下SiC陶瓷樣件加工表面的三維表面粗糙度形貌，可以看出，CG方式加工下的三維表面粗糙度形貌的峰谷變化較小，表面較平整；采用EDG加工時(shí)，工件表面的三維表面粗糙度形貌存在明顯的峰谷變化，且峰谷的分布不均衡，表面粗糙；相比之下，當(dāng)采用EDDG加工時(shí)，工件的三維表面粗糙度形貌中峰的比例較CG的中的明顯增加，但其峰谷的分布較EDG的均衡，說明EDDG加工較CG加工引起脆性斷裂形成谷的比例減小，且較EDG加工能獲得更均一的粗糙度表面。

(a)CG

(b)EDG

(c)EDDG

為避免個(gè)別粗糙度值存在的隨機(jī)性，分別在3個(gè)樣件加工后的表面中間帶上沿磨削方向隨機(jī)選取6個(gè)128 μm×128 μm區(qū)域，對(duì)其表面粗糙度值Ra進(jìn)行測(cè)量，得到如圖4所示的結(jié)果。從圖4 中可以看出，從CG、EDG到EDDG 3種加工順序，樣件加工表面的粗糙度值先增大后減小。比較6個(gè)采樣區(qū)域的表面粗糙度Ra值，可以發(fā)現(xiàn)EDDG加工方式下的樣件表面粗糙度值比CG加工下的樣件表面粗糙度值略有增加，但比EDG加工下的樣件表面粗糙度值明顯減小，這是因?yàn)镋DDG加工中的磨削作用去除了材料表面的放電凹坑，降低了表面粗糙度。三種方式加工方式下，樣件表面的平均粗糙度值Ra分別為0.195 6 μm(CG)、0.251 2 μm(EDG)和0.214 9 μm(EDDG)。

圖4　三種加工方式下的表面粗糙度值

4.2表面形貌

反應(yīng)燒結(jié)SiC陶瓷EDDG加工后的表面如圖5所示。在EDDG加工的表面存在因放電作用產(chǎn)生的凹坑。在放電凹坑內(nèi)，由于火花放電作用產(chǎn)生的高溫，導(dǎo)致SiC陶瓷材料的熔融和重鑄，如圖5(b)所示。

圖5　EDDG加工表面SEM圖像

將CG、EDG的加工表面與EDDG加工的表面進(jìn)行對(duì)比，如圖6所示。從圖6(a)中可以看出，普通磨削的加工表面存在著明顯的磨削劃痕，且由于材料的脆性去除，使得磨削劃痕呈斷續(xù)狀，加工表面存在著因材料大塊脆性斷裂或剝落去除留下的凹坑。圖6(b)所示為EDG加工方式下SiC陶瓷材料的加工表面，由于金屬基砂輪與工件間不存在物理接觸，加工表面的形成主要依靠導(dǎo)電金屬基表面與反應(yīng)燒結(jié)SiC陶瓷樣件表面間的極間放電作用去除材料，從而形成了由放電凹坑(圖6(b)中虛線框所示部分)和材料熔融堆積組成的表面形貌。而圖6(c)所示的EDDG加工表面則由磨削劃痕及電火花放電凹坑組成，其中磨削劃痕仍以脆性斷裂劃痕為主，但在放電凹坑附近也存在著部分塑形劃痕。這主要是因?yàn)樵诜烹姲伎痈浇牟牧鲜艿诫娀鸹ǚ烹姛岬挠绊?，SiC材料發(fā)生了軟化及熔融，在后續(xù)金剛石磨粒的機(jī)械磨削作用下，SiC陶瓷材料部分以塑性去除方式去除形成的。

(a)CG加工表面形貌

(b)EDG加工表面形貌

(c)EDDG加工表面形貌

在EDDG加工過程中，由于火花放電同時(shí)對(duì)金屬基金剛石砂輪基體材料存在電蝕作用，去除了砂輪基體結(jié)合劑材料，實(shí)現(xiàn)了加工過程中砂輪的電火花修銳，從而可以提高材料去除率和加工效率。但同時(shí)，火花放電產(chǎn)生的大量熱量，也可能造成砂輪表面金剛石的石墨化。S.Kumar等[6]人的研究表明，EDDG加工過程中存在著砂輪表面金剛石的石墨化現(xiàn)象。當(dāng)砂輪表面金剛石石墨化的效率高于砂輪火花放電修銳的效率時(shí)，就會(huì)降低砂輪的磨削效率，從而降低材料加工表面質(zhì)量。由于放電熱效應(yīng)對(duì)材料的軟化作用，SiC陶瓷材料去除過程中存在部分塑性去除，而塑性去除過程中，金剛石磨粒對(duì)材料的擠壓作用造成材料隆起，從而進(jìn)一步增加了樣件加工表面的表面粗糙度值。

4.3微觀裂紋

微觀裂紋是硬脆性材料加工表面損傷的主要表現(xiàn)，其存在影響材料的強(qiáng)度，對(duì)材料的性能不利。采用普通磨削與EDG加工時(shí)，RB-SiC陶瓷的微觀表面裂紋情況分別如圖7(a)和7(b)所示。圖7(a)中所示磨削表面微觀裂紋同樣存在兩種類型：晶界裂紋(圖7(a)中箭頭所指部分)和磨削表面裂紋(圖7(a)中圓圈所指部分)。晶界裂紋處于材料剝落凹坑內(nèi)，裂紋粗大明顯。晶界裂紋的形成源于純磨削作用下金剛石磨粒對(duì)材料的作用力較大，導(dǎo)致材料產(chǎn)生沿晶斷裂和穿晶斷裂的微觀裂紋，并最終導(dǎo)致晶體剝落產(chǎn)生凹坑[20]。而圖7(b)中所示的EDG加工表面微觀裂紋主要集中在放電凹坑周邊熔融材料堆積處，其裂紋長(zhǎng)且大，說明此裂紋是由放電作用導(dǎo)致材料的熔化，然后在工作液的冷卻作用下發(fā)生重鑄，導(dǎo)致材料體積收縮而形成的熱裂紋。

(a)磨削表面的微觀裂紋

(b)EDG加工表面微觀裂紋

(c)EDDG加工表面微觀裂紋

在EDDG加工方式下，RB-SiC陶瓷加工表面的微觀裂紋情況如圖7(c)所示。在EDDG加工的表面存在著具有明顯磨削劃痕的磨削區(qū)和具有明顯放電凹坑的放電區(qū)。兩個(gè)區(qū)域內(nèi)的裂紋存在明顯差別：磨削區(qū)內(nèi)的裂紋(圖7(c)中圓圈中所示部分)短而小，而放電區(qū)內(nèi)的裂紋(圖7(c)中箭頭所示部分)長(zhǎng)且大。這是由于放電區(qū)內(nèi)的微觀裂紋多是因材料在放電作用下熔融后再冷卻重鑄導(dǎo)致材料體積收縮而形成的，屬于熱裂紋類型。這一點(diǎn)可由圖7(c)中箭頭1所示熱裂紋擴(kuò)展到放電區(qū)與磨削區(qū)的邊界處終止而不再在磨削區(qū)內(nèi)出現(xiàn)而得到證明，說明放電區(qū)域內(nèi)的熱微觀裂紋只存在于材料再冷卻重鑄層內(nèi)，可由EDDG加工中后續(xù)金剛石磨粒的磨削作用去除，從而提高加工表面質(zhì)量。

5　結(jié)　論

本文通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)，研究了EDDG加工RB-SiC陶瓷的表面特征，分別將RB-SiC陶瓷EDDG加工的表面粗糙度、表面形貌及微觀裂紋與CG及EDG加工下的進(jìn)行對(duì)比分析，得到如下結(jié)論：在實(shí)驗(yàn)條件下，EDDG加工的表面粗糙度優(yōu)于EDG加工的表面粗糙度，為0.214 9 μm，但比CG加工的表面粗糙度值0.195 6 μm略差。與CG加工的表面只存在斷續(xù)磨削劃痕和EDG加工的表面存在放電凹坑和熔融堆積不同，EDDG加工RB-SiC陶瓷的表面由磨削劃痕及電火花放電凹坑組成，且在放電凹坑附近的磨削劃痕中存在著部分塑形劃痕。在RB-SiC陶瓷的加工中，與磨削加工的表面存在磨削裂紋和導(dǎo)致材料晶體剝落形成凹坑的晶界裂紋，以及EDG加工的表面只存在熱裂紋不同，EDDG加工RB-SiC陶瓷的表面同時(shí)存在磨削裂紋和熱裂紋兩種類型的微觀裂紋，且熱裂紋只存在于材料重鑄層內(nèi)，可以通過EDDG加工過程中的磨削作用去除。

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饒小雙(1986-)，男，湖北黃岡人，博士研究生，2011年于中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)獲得學(xué)士學(xué)位，2014年于哈爾濱工程大學(xué)獲得碩士學(xué)位，主要從事硬脆材料精密及超精密加工方面的研究。E-mail: rxs_cug@126.com

導(dǎo)師簡(jiǎn)介：

張飛虎(1964-)，男，河南鄭州人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，1984年、1987年于西北工業(yè)大學(xué)分別獲得學(xué)士、碩士學(xué)位，1993年于哈爾濱工業(yè)大學(xué)獲博士學(xué)位，主要從事精密超精密加工與納米技術(shù)的研究，包括超精密加工新工藝及設(shè)備(ELID磨削等)、納米級(jí)超光滑表面加工技術(shù)及表面質(zhì)量、新型功能材料的精密和超精密加工、光學(xué)非球面加工、硬脆材料精密和高效磨削技術(shù)的研究。E-mail: zhangfh@hit.edu.cn

Surface characteristics for RB-SiC ceramicsby electrical discharge diamond grinding

RAO Xiao-shuang1， ZHANG Fei-hu1*， LIU Li-fei2， LI Chen1

(1.SchoolofMechatronicsEngineering，HarbinInstituteofTechnology，Harbin150001，China；2.SchoolofMechanicalEngineering，HarbinUniversityofScienceandTechnology，Harbin150080，China)*Correspondingauthor，E-mail：zhangfh@hit.edu.cn

The surface characteristics of reaction-bonded SiC (RB-SiC) ceramic with Electrical Discharge Diamond Grinding (EDDG) were explored. Three kinds of processes of EDDG， Electrical Discharge Grinding (EDG) and Conventional Grinding (CG) were taken into the experiments of RB-SiC grinding. Then the surface roughnesses of the RB-SiC were measured with a laser scanning confocal microscope， and their surface morphologies and micro-cracks were observed with a scan electron microscopy. The grinding characteristics of the RB-SiC with EDDG were analyzed and compared to that with other two methods. The results show that the surface roughness value of RB-SiC is 0.214 9 μm with the EDDG， which is better than that with EDG but slightly poorer than 0.1956 μm with the CG. For the surface morphologies of the RB-SiC， it shows obvious discontinuous scratches with the CG， and is mainly composed of discharge craters with the EDG machining. However， both scratches and discharge craters are existed on the machined surface with the EDDG. Moreover，the grinding cracks and grain boundary cracks are found on CG surface and only hot cracks exist on the EDG surface. But the micro-cracks on EDDG surface are divided into grinding cracks and hot cracks， and the latter can be ground with diamond grits. With the investigation of comparative experiments， the results show that different machined surface characteristics of RB-SiC ceramic with EDDG process from that with EDG and CG processes.

RB-SiC; Electrical Discharge Diamond Grinding(EDDG); surface roughness; surface morphology; micro-crack

2016-03-10；

2016-04-17.

國家973重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(No.2011CB013202)

1004-924X(2016)09-2192-08

TG74；TQ174.758

A

10.3788/OPE.20162409.2192