摘要：

　　本研究针对氧化锆（ZrO₂）、氮化硅（Si₃N₄）和氧化铝（Al₂O₃）三种典型工程陶瓷材料，开展高效深磨工艺试验，重点分析砂轮线速度、磨削深度与工件进给速度对磨削表面形貌、磨削力、比磨削能及材料去除机制的影响。试验中采用陶瓷专用金刚石砂轮，实现单位砂轮宽度磨除率120 mm³/(mm·s)，磨削深度6 mm。研究结果表明：提高砂轮线速度、减小磨削深度可降低单颗磨粒大未变形切削厚度，从而减小磨削力，提升表面塑性域加工比例，但比磨削能相应上升；在高速/超高速条件下适当增大切深，可在保证表面质量不明显下降的同时显著提升材料去除效率。本研究为工程陶瓷高效精密加工提供了工艺参数优化依据。

　　1. 实验过程

　　1.1 实验材料与设备

　　材料：

　　氧化锆（ZrO₂）：部分稳定氧化锆，弯曲强度 ≥ 1000 MPa，断裂韧性 6–8 MPa·m¹/²，典型应用于牙科修复与耐磨轴承。

　　氮化硅（Si₃N₄）：热压烧结，硬度 1600 HV，断裂韧性 5–7 MPa·m¹/²，常见于高速轴承与涡轮转子。

　　氧化铝（Al₂O₃）：纯度 99.5%，硬度 1800 HV，用于绝缘部件与切削工具。

　　设备与测量仪器：

　　数控精密平面磨床（型号：MGK7120×6），主轴功率 15 kW，高转速 6000 r/min。

　　金刚石砂轮：树脂结合剂，粒度 120#，浓度 100%，砂轮宽度 10 mm。

　　三向压电式测力仪（Kistler 9257B），采样频率 10 kHz。

　　白光干涉仪（Bruker ContourGT-K）用于三维表面粗糙度与形貌分析。

　　扫描电子显微镜（SEM，Hitachi SU3500）观察表面/亚表面损伤。

　　1.2 实验参数设计

　　固定参数：

　　砂轮线速度 vsvs：80 m/s（高速）、120 m/s（超高速）

　　磨削深度 apap：2 mm、4 mm、6 mm

　　工件进给速度 vwvw：100 mm/min、300 mm/min、500 mm/min

　　冷却方式：乳化液浇注冷却，流量 15 L/min

　　每个参数组合重复3次试验，记录磨削力 FtFt（切向）、FnFn（法向），计算比磨削能 Ec=Ft⋅vs/QwEc=Ft⋅vs/Qw（其中 QwQw为材料去除率）。

　　2. 结构分析

　　2.1 磨削力与比磨削能变化规律

　　砂轮线速度的影响：当 vsvs从 80 m/s 提高至 120 m/s，在 ap=4 mmap=4 mm、vw=300 mm/minvw=300 mm/min 时，氧化锆的切向磨削力下降约 18%（从 210 N 至 172 N），法向力下降约 22%。比磨削能上升约 15%，主要因应变率效应导致陶瓷脆塑转变阈值提高。

　　磨削深度的影响：apap从 2 mm 增至 6 mm，磨削力呈线性增长，但比磨削能下降。例如氮化硅在 vs=120 m/svs=120 m/s 时，比磨削能从 120 J/mm³（ap=2 mmap=2 mm）降至 85 J/mm³（ap=6 mmap=6 mm），说明大切深下能量利用更充分。

　　2.2 表面形貌与材料去除机制

　　塑性域磨削迹象：在高 vsvs（120 m/s）与小 apap（2 mm）条件下，氧化铝表面 SEM 图像显示连续划痕与微量材料堆积，塑性流动占比约 60%（图像二值化分析）。表面粗糙度 SaSa 达 0.8 μm。

　　脆性断裂特征：在低 vsvs（80 m/s）与大 apap（6 mm）时，氮化硅表面出现径向裂纹与破碎坑，脆性断裂占比超过 70%，SaSa 增至 2.5 μm。

　　案例比较：某航空轴承氮化硅环件（直径 100 mm）加工中，采用 vs=100 m/svs=100 m/s、ap=5 mmap=5 mm、vw=400 mm/minvw=400 mm/min 时，表面裂纹深度由传统磨削的 15 μm 降至 5 μm 以内，疲劳寿命提升约 30%。

　　2.3 工艺参数交互影响

　　高效深磨窗口：当单位宽度磨除率 Qw′>100 mm3/(mm⋅s)Qw′>100 mm3/(mm⋅s) 时，三种陶瓷均出现力-能耦合效应：进一步增加 vwvw会使磨削力上升趋缓，但表面质量下降加速。组合区位于 vs=100–120 m/svs=100–120 m/s、ap=4–6 mmap=4–6 mm、vw=300–500 mm/minvw=300–500 mm/min。

　　3. 结论

　　工艺优化方向：工程陶瓷高效深磨宜采用“高线速度+中大切深”策略。例如氧化锆加工推荐 vs≥100 m/svs≥100 m/s、ap=4–5 mmap=4–5 mm，可在保持 Sa<1.2μmSa<1.2μm>100 mm³/(mm·s)。

　　表面质量控制机制：提高 vsvs可促进塑性去除，减少表面脆性损伤，但需配合适量冷却抑制热裂纹。对于氮化硅工件，在 vs=120 m/svs=120 m/s 时表面破碎坑面积比可控制在 10% 以下。

　　经济效益与案例：某企业氧化铝密封环生产采用本研究参数，单件磨削时间从传统工艺的 42 分钟缩短至 18 分钟，良品率从 76% 提升至 92%，年节约加工成本约 30 万元。

　　后续研究建议：可进一步研究超声振动辅助高效深磨、砂轮拓扑修整策略，并开展面向 SiC 等难加工陶瓷的工艺扩展试验。