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Investigation of the surface generation mechanism of mechanical polishing engineering ceramics using discrete element method
关于用离散单元法对工程陶瓷的机械抛光的表面产生机制的研究
摘要
由于增长的工业需要更高的加工精度和表面质量更好的陶瓷元素，最近几年的陶瓷加工技术有了很快的发展，但是，陶瓷硬和脆的性质让我们很难获得无损且光滑的表面。
大部分陶瓷可以被看做是离散微粒随机结合在一起的聚合物，其微观结构由晶体颗粒和气孔组成，而且，陶瓷的内部粒状结构可能会被因为连接破裂而分离的粒子表示。
离散单元法提供了一种通过构建有效模型来描述工件相互作用的可行方法，并且，它可以作为一种仿真模拟工具分析复杂表面的产生机制，在本次研究中，它被用于模拟陶瓷的机械抛光过程和表面完整性。
在本次报告中，已经创建了一种通过粒子结合模型从数值上表示陶瓷工件的密集Si3N4粒子装配系统。
仿真的结果证明了，通常的临界切削深度不能作为衡量陶瓷机械抛光过程中脆韧性转换的有效参数。
因此，一种基于数值结果的定义韧性加工机制的广义标准已经发展成型。
另外，观察不同的切削深度用不同的压力分布链，这些分布链应该与特殊结构的陶瓷有很强的关联。
这项研究也证明了，DEM模型，在揭示陶瓷微观尺度的机械行为方面，有一些优势。
- 介绍
由于高性能陶瓷材料的良好性能，它在很多领域都得到了很好的应用。目前，在基础科学和新型陶瓷硬质材料应用研究方面做了很多努力，这种定义为超级或超强的材料，硬度可以与传统钻石相媲美。陶瓷产品，必须通过更先进与更易于控制的加工工艺生产出来。
陶瓷加工技术的进展对新型加工技术的商业化是非常必要的。提高陶瓷部件应用的最大挑战，是如何降低加工操作的成本。由于烧结过程处在高温下，陶瓷零件不能成型为一个非常接近最终的形状，这使得它很难用温度来控制部分的尺寸。因此,机械操作(加工)必须得到最终的形状和尺寸精度。陶瓷硬,脆,并且有很高的耐磨性(有些用作研磨剂)，因此，加工这些陶瓷材料的有效工具是由钻石构成的。用很小的切削深度是很有必要的，因为较大的切削深度造成的损害，不仅会导致一些多余的加工过程，而且会造成效率非常低。
尽管陶瓷零部件的使用寿命和功能可以满足最高的要求,但，即使在今天,他们很少被使用。这种矛盾的原因在于成本随组件生产的变化而变化，而且，实际上是单独的制造技术往往不能用于大规模生产。一方面,陶瓷的高硬度和脆性造成可加工性能差；另一方面，同样的加工也会产生不同的费用和偏离设计的复杂的自动化加工结果。同时,陶瓷材料的创新应用要求要有深远影响的生产过程，特别是在设计、原料生产、加工和质量控制领域。一般地，总生产成本的50%以上会出现在精加工方面。然而，使用高精度的加工技术通常是不可避免的。因为，生产的质量会直接影响陶瓷部件的功能性行为，并且，部分材料烧结后的质量也不能满足应用。用于加工陶瓷的机床经常必须要满足最高的要求。除了一般要求高静态和动态刚性，及高度精确和刚性轴承与方式，适合的夹紧系统,特殊设备和清洗设备以及其他处理金刚石工具状况的设备也必须统一到机床上。因此,就准确性而言,加工工艺要假定一个关键位置。
因为它们的部分共价键和化学键，陶瓷极硬且耐腐蚀，因此，无论是在室温还是高温情况下，陶瓷都是一种极好的耐磨材料。然而,陶瓷材料自身的脆性是一个重要限制因素。
因此,与金属和聚合物相比,高刚度、高硬度和脆性是基于晶格的可变形性差。在低温条件下,位错运动或蠕变不能释放裂纹尖端附近的应变能。相较于金属，其如此高的位移运动活化能，使其最终的断裂强度远大于许多金属。与金属相比,陶瓷的晶体结构具有低对称性，因此，即使增加温度接近熔点,也不会造成两个或三个以上的位错滑移。因此，塑料可变形性也很差，这就意味着，它在高温下依然可以保持其脆性和高硬度。考虑到应力-应变关系，直接且毁灭性的断裂会释放整个储存的弹性应变能，使应力-应变曲线的线性弹性范围终止。尤其是，当储存的弹性应变能超过断裂所需的功而形成新的裂纹表面，或者，在一个先前存在的裂纹或微观结构下，不均匀性拉伸应力累积达到材料的强度理论。
目前,许多应用都在研究，关于随着强度增加，好陶瓷的磨损行为,例如,作为切削工具和研磨粗燕麦粉。在过去的几十年，在金属的制造技术方面，陶瓷磨削和切割工具产生了一个很强的影响。因此,新的车削机和铣削机被开发了,这些机床要求材料有高硬度和韧性，能够在非常高的进给率、速度及高温下加工出无损伤的光滑表面。数控加工技术,让强劲增长过程的可靠性和质量的再现性成为可能,尤其是丰富的氧化铝和氮化硅陶瓷。成为高性能陶瓷的最重要一步是，对使固有材料的脆性最小化的断裂启动机制和策略的基本理解功能陶瓷的电子或电气设备组件，如电容、压电陶瓷、芯片载体,绝缘外壳,火花塞,等等,都是由薄膜技术或挤压过程开始,有时紧随其后的是上釉,使其产生适当的表面韧性及达到足够的最终尺寸的准确性。研磨和抛光操作，通常不作为一个额外最后步骤的要求。然而，结构陶瓷，要维持外部负载和匹配由各种各样的不同的材料组成的机械主动建设，例如，一个引擎，必须严格满足所需的最终尺寸和表面品质，保证要求的工作性能有足够的可靠性和寿命。
典型的陶瓷材料，通常在脆性断裂模式之前，只有弹性变形断裂会造成使用正常的加工方法时的材料表面裂纹或凹面。随着对功能增强的发展需求，极致的研磨或抛光，一直被认为是在陶瓷材料的精密机械部件、光学元件和电子元件方面的一个关键技术。它已经成为所有要获得超光滑且没有损伤的表面的高技术的目标。这种需求已接近制造技术的极限。在这种情况下，流场或理化因素的任何改变都会破坏表面质量；任何意想不到的硬粒子都可能在表面造成大的凹点或者在表面留下痕迹。纳米制造技术在物理方面的进一步研究，对获得超光滑且具有纳米级别韧性的表面是至关重要的。如今，机械抛光技术已成为一个很有吸引力的研究课题。
如果与研磨相比，抛光操作已小的多，这促成了对脆性材料成功应用，如单晶硅。由抛光技术获得的最终表面质量，主要由纳米颗粒和材料表面之间的相互作用决定。这个纳米颗粒和材料表面之间的复杂的相互作用，与宏观尺度方面的相互作用不同，这就造成了经典加工理论不能准确的揭开抛光曲面生成的神秘。因为过程的复杂性,一个简单的实验结果的解释往往是不可能的。因此,数值模拟技术已经成为这个领域中一个非常重要的工具。
如果与研磨相比，抛光操作已小的多，这促成了对脆性材料成功应用，如单晶硅。由抛光技术获得的最终表面质量，主要由纳米颗粒和材料表面之间的相互作用决定。这个纳米颗粒和材料表面之间的复杂的相互作用，与宏观尺度方面的相互作用不同，这就造成了经典加工理论不能准确的揭开抛光曲面生成的神秘。因为过程的复杂性,一个简单的实验结果的解释往往是不可能的。因此,数值模拟技术已经成为这个领域中一个非常重要的工具。
DEM的基本思想，是将不连续体分为一些满足运动方程约束的刚性元素。步伐迭代基础可以解决刚性元素的位移，这种系统的运动状态可以被获得。不同元素之间的相对运动是允许的，以及位移的连续性和变形协调的条件并不是必要的。DEM是分析涉及较大变形和非线性过程的工程问题方面最具潜力的工具集之一，这样看待DEM是合理的。DEM是可取的，因为它可以处理非连续现象，例如裂缝。去除的大部分的陶瓷材料是又硬又脆的，它涉及了加工过程中的裂纹沿解理面。这次研究将开发工程陶瓷的DEM模型，之后，再分析抛光过程中的复杂动态行为和表面完整性。
2 分立元件建模方法
在这次研究中，二维商业粒子流码(PFC2D)被用作模拟仿真平台,它是一个基于DEM原理的程序。组件是由一些被认为是单位厚度的圆盘微观粒子构成的。为了模拟接触颗粒间的关系，在这次研究中采用了平行粘结。通过调整粒子大小和平行粘结的作用力，二维商业粒子流码可以仿真模拟各种陶瓷的机械行为。当外部荷载超过粘结强度时，粒子间的连接会被破坏，并且两颗粒之间会直接形成裂纹。
图1给出了抛光工艺的数值模拟模型。半径0.1 mm的磨料颗粒被认为是没有任何变形的理想刚体,与金刚石晶粒一致。工件沿X、Y方向的尺寸分别为0.8和0.2 mm。移动速度为0.1米/秒，抛光深度是0.03 mm，且环境温度为293 K。
在这个模拟过程中，把工程陶瓷（氮化硅）看作是用离散元素进行抛光的材料，并具有一定的几何形状（圆）和质量；每个粒子都是数值模拟的元素之一。在本次调查中，做出如下一些假设：
1. 粒子是刚体，材料的变形量等于各接触点变形量的总和。
2. 颗粒间的接触属于软接触，也就是说，一些重叠的接触点是允许的，虽然，相较于粒子尺寸，重叠的程度比较小。
3. 扰动不能从一个粒子转移到相邻的粒子。
DEM通常有两种接触模型，即滑移模型和平行键模型。滑移模型假设颗粒间的摩擦接触，适用于颗粒材料的建模。而如果要模拟例如陶瓷等材料的粘结摩擦材料的性能，首选平行键模型。
2.1 颗粒元素的性质
DEM的颗粒元素一般有两种基本特征，即几何性质和物理性质。
1. 颗粒元素的几何性质包括形状、尺寸和排列方式。DEM颗粒的形状一般有，二维的圆和椭圆，三维的球面与椭球，和组合单元等等。粒子是按晶格实现排列的，但是，采用随机排列也是可行的。
2. 颗粒元素的物理性质包括质量、温度、刚度、比热、相变等等。
2.2接触模型
DEM方法的物理本质，是粒子系统中的运动传递的建模，包括粒子之间的碰撞及相应的作用力。目前，接触模型有两种，即硬颗粒接触模型和软颗粒接触模型。在硬颗粒接触模型之中，有这样一种假设，当颗粒的表面受到较小的应力时，颗粒之间的碰撞是瞬间发生的，并没有明显的塑性变形。硬颗粒接触模型仅处理两个颗粒之间的碰撞，它适合稀疏而高速的粒子流。而软颗粒接触模型却能够处理瞬态接触碰撞以及多体碰撞。在软颗粒接触模型的局部接触区域有重叠的区域。软颗粒接触模型的物理本质是，将接触处的重叠区、接触粒子的物理性质、冲击速度和一对作用力的最后一步的接触信息联系起来(作用力与反作用力)，推导出作用于质点、加速度的合力，校正速度和位移。为了更有效地处理大量的粒子系统，而在本次研究中采用了软颗粒接触模型。接触模型是DEM的基础，其实质是在准静态负载条件下，对颗粒接触的弹塑性进行分析。
2.3 求解过程
假定，材料是由一些离散单元组装而成的，而粒子的运动是通过迭代计算来跟踪的。离散单元系统的状态可以由粒子间的相互作用和牛顿运动方程的迭代来确定。
主要的计算过程包括以下两个步骤：
1. 根据接触力和相对位移，推导出接触模型及其作用和反应原理。
2. 相对位移用牛顿第二定律引起的不平衡力推导，直到外力趋于平衡或达到必要的圈时。
以上步骤遍历每个粒子系统中的每一步，直到不产生不平衡力或不平衡力矩。
3 模拟仿真结果及相应分析
3.1 材料去除与变形机理
图2给出了DEM的氮化硅模拟抛光过程。由于抛光深度小，大部分颗粒被压入表面，导致非晶层的去除。断裂，是陶瓷体系中在高负载接触下的不可避免的结果。加工表面产生了大量的裂纹（或凹坑），也是硬脆材料的典型变形特征；但是，在模拟仿真过程中观察到的异常现象，证明了在Si3N4的抛光过程中诱导了不同的变形机制（弹塑性变形）。虽然模拟结果与一般经验相悖，但在高压（平均20 GPa）和微米级的切割深度（1mu;m）下，氮化硅表现出了韧性，这已经被其他的研究人员调查和验证。同金属材料相比，陶瓷材料通常更脆，并且，在断裂荷载作用下，它会表现出很小的塑性变形。因此，陶瓷材料的磨料与工件的相互作用的机理主要是脆性断裂。但是，也有观察到，沿磨削方向的条纹会有塑性流动。氮化硅表面扫描电镜检查，也揭示了条纹的塑性侧流类似于钢材磨削中的进给方式，这种条纹散布在断裂区域内。目前，有一个共同的看法。例如，如果未变形的切屑的厚度可以控制在小于切割的临界深度或者更小范围内，陶瓷可以在韧性模式下移除。Si3N4的弹塑性变形特征是在微观尺度下的不同的材料结构。在典型的塑性滑移面上会造成位错。在一般情况下，大多数的陶瓷是通过烧结得到的，而粉末间的相互作用则是通过玻璃相实现的。在含玻璃相、晶相和气孔的三维网络中，会产生复杂的混合结构。磨料颗粒在小的抛光深度（0.03 mm）下的局部接触区域产生的高压缩压力（~ 21.236 GPa），打破了玻璃相的键的相互作用，造成大部分磨料提前被压缩到材料表面。如图2所示，由于抛光的力不够大，无法将粉末压缩成一个整体，部分粉末回到大气中。这种现象证明了，陶瓷干抛光会污染环境，且对人们的健康有害。此外，图3也表明了无论是在局部的接触区域还是离开该区域，压力都是在基板上产生的。
压力可以防止裂纹扩展，然而，拉伸压力却会加速裂纹扩展。因此，因为接触区域的压缩压力，使得氮化硅的加工表面没有产生裂纹或凹坑。在典型的延展性材料加工中，采用回弹法来消除弹性变形
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