中北大学刘瑶副教授、祝锡晶教授等：SiC陶瓷先进磨削技术最新研究进展-JAMST

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Yao LIU, Jiahao LI, Zhigang ZHAO, Jinzhu GUO, Guohong LI, Xijing ZHU. Advanced grinding technologies for silicon carbide ceramic: A review[J]. Journal of Advanced Manufacturing Science and Technology , 2024, 4(1): 2023016. doi: 10.51393/j.jamst.2023016

1.研究背景

碳化硅（SiC）陶瓷是一种重要的结构材料，具有优异的耐磨性、导热性、耐腐蚀性。同时，由于其高硬度和高脆性的特性，SiC是典型的难加工材料。磨削技术是将SiC陶瓷加工成所需形状、尺寸和表面质量的关键方法。但是传统磨削成本高，工件容易产生缺陷（如凹坑和裂纹），导致强度下降，影响使用性能。

为了提高磨削效率，保证表面质量、尺寸精度和材料去除率，新的磨削技术越来越被重视。本文综述了SiC陶瓷先进磨削技术的最新研究进展，介绍了高速磨削（HSG）、超声振动辅助磨削（UVAG）、激光辅助磨削（LAG）和电解在线修整磨削（ELIDG）等技术的磨削原理和设备，通过讨论不同加工技术下的表面完整性、材料去除机理、仿真模拟等相关研究，对磨削参数与工件表面质量之间的关系进行了综合评价。

图1 SiC陶瓷先进磨削技术

2.最新进展

与传统磨削技术相比，先进磨削技术通过引入一种新的材料去除机制，不仅提供了更优异的精度、尺寸和表面质量的控制，而且还具有更高的生产效率、稳定性和更久的刀具寿命，为获得高表面质量的SiC陶瓷工件提供了新方法。此外，先进磨削技术与相应的磨削装备和方法相结合表现出更优异的性能，从而显著改善了工件的表面完整性和材料去除效率。

图2 先进磨削技术对生产效率、刀具寿命和稳定性的控制

在该文中，作者对不同的磨削技术对SiC陶瓷的加工性能和表面质量所产生的影响进行了综合总结，并针对这些技术的局限性进行了描述。此外，提供了改进和优化这些磨削技术的建议，以期提高加工效率和表面质量，推动SiC陶瓷领域的发展。

在HSG加工中，提高砂轮转速可以减少陶瓷材料的表面和亚表面损伤，增强材料的韧性去除趋势，获得更高的表面质量。此外，HSG方法在改善磨削性能方面也有积极作用，如降低磨削力、磨削热和可能的相变。

与CG加工相比，UVAG加工更容易实现延性去除，有更少的表面划痕和损坏，获得更高的表面质量。此外，超声波振动产生的冲击效应和间歇性能量输入显著降低了磨削力，同时提高了表面光洁度和加工精度。

由于LAG加工的激光热效应，高温引发陶瓷表面材料分解和气体产生。这些气体会喷射或形成内部孔隙，导致微裂纹，使陶瓷表面软化、硬度降低，可能还发生氧化物层沉积。这些现象共同导致表面软化和磨削力降低。因此LAG加工可以通过提高塑性去除率来加快SiC陶瓷的去除速度，获得更高的表面质量。

ELIDG技术在加工过程中利用电解修整砂轮，实现磨削过程的实时修整。它结合了电解加工和砂轮磨削的优势，可以精确控制和调整砂轮的形状和表面状态，从而实现纳米级、高效率和低表面粗糙度的加工，并显著降低后续抛光时间和加工成本。

图3 先进磨削技术对加工性能影响图

3.未来展望

先进磨削技术也存在一些局限性，例如高速磨削（HSG）会产生更高的磨削热量和振动，超声振动辅助磨削（UVAG）的复杂性和昂贵的设备，以及激光辅助磨削（LAG）和电解电磨削（ELIDG）中激光和电的作用可能导致材料机械性能下降。因此，在未来先进磨削技术的发展方向应考虑以下几点：

（1）高刚性的砂轮/主轴/电机系统结构及其修整和平衡的控制方法。HSG加工时系统的刚性对于减少振动和保持稳定性至关重要。结构和控制方法也是未来的研究方向。

（2）刀具的磨损速率与加工效率直接相关。在UVAG技术下磨料的磨损速率增加。因此，在优化磨削参数的同时，还需要平衡磨料磨损的问题。

（3）激光、电源等装置的控制和设计。未来的LAG和ELIDG技术可能需要更加精细的过程控制和创新的实施方法。这可以包括更精确地调节激光和电源参数，以解决在磨削过程中可能存在的机械性能下降问题，从而实现更高质量的研磨过程。

表1先进SiC磨削技术的创新和未来研究领域

作者介绍

祝锡晶，工学博士，二级教授，博士生导师，中北大学党委委员、机械工程学院院长、机械工程学科首席学科带头人、兼任山西省先进制造技术重点实验室主任、省级智能制造产业学院常务副院长。国家级包装教育优秀教师、国家级工程实践中心主任、国家级一流本科专业、国家级一流课程负责人，山西省学科评议组成员，省级教学指导委员会委员。山西最美科技工作者，省级教学名师，省级学术技术带头人，省级青年教育专家、山西省第七届科技奖获得者、山西省教委联系的高级专家。中国（国际）ICSFT组委会委员，中国生产工程分会特种加工分会常务委员，超声专业委员会副主任委员，中国机械工程学会生产工程分会光整加工专业委员会副主任委员，磨料磨削委员会常务委员，山西省机械工程学会副理事长、智能制造专业委员会副主任委员、秘书长。

先后承担国家自然科学基金面上项目、“九五”“十五”兵总预研项目、基础科研计划及企业委托课题等项目几十余项。出版中文著作4部，授权发明专利46项，发表学术论文200余篇，其中SCI/EI收录50余篇，代表作发表在Ultrasonics Sonochemistry、机械工程学报、物理学报、力学学报等国内外高质量权威期刊上；获国家级专利奖、山西省自然科学奖、山西省教学成果奖、山西省高等学校科技奖等多项。

刘瑶，博士，中北大学副教授，硕士生导师，《Journal of Advanced Manufacturing Science and Technology》、《金刚石与磨料磨具工程》期刊青年编委。研究方向为难加工材料和复合材料精密与超精密加工及其装备制造；生物组织微创切削及其装备制造学科领域。近五年主持国家自然科学青年基金项目1项，国家重点研发计划子课题1项，山西省面上项目1项，太原市揭榜挂帅项目课题1项。发表SCI/EI收录40余篇，授权发明专利5项，美国发明专利1项，实现2项专利转化，出版专著及教材2部。

超精密智能制造与特种加工技术学术团队

超精密智能制造与特种加工技术学术团队具有教授3名、副教授6名、具有博学位青年教师10余名，在读博士后3名、博士研究生8名、硕士研究生50余名。

团队获得山西省自然科学奖二等奖、第九届上银优秀机械博士论文奖特别奖。近年来承担国家自然科学基金项目10余项，承担科技部国家重点研发计划子课题1项。承担国防项目100多项、省部级项目50多项，承担其他重要科研项目200余项。获省部级以上奖励17项，获国家授权发明专利110余项。发表学术论文510余篇，其中SCI/EI收录100余篇。出版学术专著13部，出版教材21部。

团队研究方向主要有功率超声装备制造技术，精密超精密与特种加工技术，智能制造等。以功率超声技术为核心，结合电火花、切削、钻孔、磨削等精密加工手段，开发了高精度、高表面加工质量的微细精密绿色加工模式和工艺。对前混合磨料射流技术，研发了装备动力发生系统及调控系统，并针对特殊应用需求和极端制造条件设计开发了高效、绿色、低耗的专用智能水射流装备。针对功能材料自组装和表界面工程，采用基于纳米织构表面的电润湿调控技术实现了增透型聚合物透镜成形。针对高脆硬材料，采用精密磨削技术，提出了磨削损伤机理和高效低损伤磨削方法。针对聚合物改性沥青多相体系聚结离析现象，研发了包装废弃聚合物再利用纳米复合改性沥青技术和超声原位增容制备技术。