姚建國，寧 欣，王占奎，蘇建修（河南科技學(xué)院，新鄉(xiāng) 453000）

0 引 言

陶瓷材料磨削后存在的表面殘余應(yīng)力是各種加工因素共同作用的結(jié)果，其中磨粒對材料的切削作用及磨削熱作用是兩個主要因素［1］，因此研究其影響顯得極為重要。表面殘余應(yīng)力分為殘余壓應(yīng)力和殘余拉應(yīng)力，其中殘余壓應(yīng)力能強(qiáng)化表面，閉合表面裂紋，可提高材料的疲勞強(qiáng)度，有益于延長工件的使用壽命；而表面拉應(yīng)力是材料產(chǎn)生斷裂破壞的原因之一，因此陶瓷材料在磨削后表面應(yīng)避免殘余拉應(yīng)力［2－4］。

目前對于殘余應(yīng)力的測定方法有很多，常用的有應(yīng)力松弛法、X射線衍射法、超聲法、磁性法、裂紋法等。其中X射線衍射法是通過X 射線衍射測定在殘余應(yīng)力作用下晶面間距的變化，從而計算出應(yīng)力，是一種無損檢測法，且測量結(jié)果比較精確。超聲振動加工技術(shù)（USM）是指對工件沿一定方向施加超聲頻振動進(jìn)行加工的方法，在硬脆材料加工方面具有獨特的優(yōu)越性，尤其對于不導(dǎo)電或電阻率高而不能采用電加工的工程陶瓷材料。超聲輔助磨削加工效率高，而且能夠在較大切深內(nèi)實現(xiàn)高精密加工。超聲系統(tǒng)通常由超聲波發(fā)生器、換能器、變幅桿、工具頭等部分構(gòu)成。超聲波發(fā)生器的作用是將普通交流電源轉(zhuǎn)換成高頻振蕩的超聲頻電信號，是整個超聲振動系統(tǒng)的能量源；換能器的作用是將超聲頻電信號轉(zhuǎn)換成超聲頻機(jī)械振動。與普通磨削相比，超聲輔助磨削可以增加脆性域向延性域轉(zhuǎn)變的臨界切削深度，實現(xiàn)脆性材料的延性域加工，提高材料去除率，延長工件的壽命，降低表面粗糙度。

但目前國內(nèi)外在超聲輔助磨削后陶瓷表面殘余應(yīng)力方面研究甚少，為拓展該領(lǐng)域的研究，作者在自制的二維超聲輔助磨削系統(tǒng)上對納米ZrO2陶瓷進(jìn)行磨削試驗，然后采用X射線衍射法對磨削表面殘余應(yīng)力進(jìn)行測定［5］，主要研究了超聲輔助磨削參數(shù)對陶瓷表面殘余應(yīng)力的影響規(guī)律。

1 試樣制備與試驗方法

采用自行研發(fā)的二維超聲輔助磨削系統(tǒng)對試件進(jìn)行磨削，其磨削原理如圖1所示。工件材料為外購的納米氧化鋯陶瓷棒料，切割成尺寸為20mm×20mm×5mm 的陶瓷片，在岡本 GTS－6016－AHD型精密平面磨床上進(jìn)行磨削加工。砂輪的修整用＃200SiC油石與鑄鐵配合修形，用＃400Al2O3油石修銳，金剛石砂輪采用樹脂結(jié)合劑，規(guī)格為φ270mm×35mm，超聲波發(fā)生器頻率為24.8，29.8kHz；振幅為21.36，23.64μm；功率為40，50，65，70，80W。砂輪速度為26.6m·s－1，軸向單程進(jìn)給量 為2mm，工作臺速度為0.25m·s－1，磨削深度分別為1，2，5，8，10，12，15μm，砂輪磨粒為270＃（粒徑14～20μm）、W20（粒徑40～50μm）、110＃（粒徑125～140μm）。

圖1 二維超聲輔助磨削系統(tǒng)工作原理Fig.1 Principle diagram of two－dimensional ultrasound grinding system

利用X射線衍射儀，采用sin2φ法對磨削后陶瓷表面殘余應(yīng)力進(jìn)行測試，所選φ（為入射線與試樣表面法線的夾角）分別為0°，15°，30°，45°，采用右廣角的設(shè)備類型，測量軸為連動，計算方式為COUNTS，采用銅靶，射線波長0.154060nm，管電壓采用40kV，管電流100mA，掃描角度范圍134.5°～138.3°，掃描步長0.02°。

在超聲輔助磨削和普通磨削中，軸向與切向殘余應(yīng)力的測試根據(jù)磨削時的方向來確定，目的是對比在不同磨削方式和不同形式下的殘余應(yīng)力的情況。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 磨削方式對表面殘余應(yīng)力的影響

從圖2可以看出，超聲輔助磨削和普通磨削后納米ZrO2陶瓷表面產(chǎn)生的殘余應(yīng)力皆為壓應(yīng)力；在相同磨削參數(shù)下，超聲輔助磨削表面殘余壓應(yīng)力要遠(yuǎn)大于普通磨削的，超聲輔助磨削時切向和軸向兩個方向上的殘余應(yīng)力差距較小，而普通磨削時兩個方向上的殘余應(yīng)力差距較為明顯。由此可見不同磨削方式對ZrO2陶瓷加工后表面殘余應(yīng)力有著不同的影響。

2.2 磨削深度對表面殘余應(yīng)力的影響

由圖2還可知，在兩種磨削方式下，ZrO2陶瓷磨削后表面殘余壓應(yīng)力隨著磨削深度的增加而減小，超聲輔助磨削后表面殘余壓應(yīng)力變化趨勢較緩。主要原因有以下幾點：陶瓷材料磨削表面殘余應(yīng)力是材料相變、熱態(tài)塑性變形、機(jī)械應(yīng)力引起的冷態(tài)塑性變形等綜合作用產(chǎn)生的；超聲輔助磨削可有效降低磨削區(qū)的磨削溫度，減小磨削熱引起的表面殘余拉應(yīng)力；超聲輔助條件下陶瓷材料能在較大的切深內(nèi)被塑性去除，而普通磨削條件下在較小的切深內(nèi)才能實現(xiàn)塑性去除。超聲輔助磨削去除材料的特殊機(jī)理使其在較大切深內(nèi)仍然能以塑性方式去除材料，表面裂紋較少，所以相同磨削參數(shù)下其表面殘余應(yīng)力要大于普通磨削條件下的，并且隨著磨削深度的增加其表面殘余壓應(yīng)力的下降比普通磨削條件下的緩慢。

圖2 兩種磨削方式下ZrO2陶瓷磨削表面殘余壓應(yīng)力與磨削深度關(guān)系Fig.2 Surface residual stress vs grinding depth for ZrO2ceramic under two grinding modes

2.3 砂輪磨料粒徑對表面殘余應(yīng)力的影響

圖3 兩種磨削方式下ZrO2陶瓷磨削表面殘余應(yīng)力與磨料粒徑的關(guān)系Fig.3 Surface residual stress vs abrasive diameter for ZrO2ceramic under two grinding modes

從圖3可知，磨削后表面的殘余壓應(yīng)力隨磨粒粒徑的增大而增大。隨著磨料粒徑的增大，工件表面單位面積內(nèi)的磨料數(shù)量減少，在相同的加工參數(shù)下，單顆磨粒對材料的作用力相應(yīng)增大，塑性變形增大，因此磨削表面產(chǎn)生的殘余應(yīng)力也增大；另一方面，隨著磨料粒徑的增大，磨料之間的間隙增大，有利于磨削熱向外傳導(dǎo)，改善磨削散熱條件，所以由磨削熱產(chǎn)生的拉應(yīng)力減小。因此在機(jī)械應(yīng)力與熱應(yīng)力的綜合作用下，磨料粒徑較大的砂輪磨削表面產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力也較大。

3 結(jié) 論

（1）超聲輔助前后陶瓷表面產(chǎn)生了殘余壓應(yīng)力。

（2）兩種磨削方式下表面殘余應(yīng)力皆為壓應(yīng)力，且隨著磨削深度的增大殘余壓應(yīng)力均減小，但超聲輔助磨削殘余應(yīng)力的減小趨勢較普通磨削的緩慢；相同磨削參數(shù)下超聲輔助磨削后表面殘余應(yīng)力大于普通磨削的。

（3）其他參數(shù)不變，隨著磨料粒徑的增大兩種磨削方式下表面殘余壓應(yīng)力都呈上升趨勢，且超聲振動磨削表面殘余壓應(yīng)力大于普通磨削的。

［1］李伯民，趙波.現(xiàn)代磨削技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

［2］柯宏發(fā)，張耀輝，陳友良.陶瓷半延展性磨削試驗研究［J］.金剛石與磨料磨具工程，1998（1）1：25－28.

［3］SWAIN M V.陶瓷的結(jié)構(gòu)與性能［M］.郭景坤，譯.北京：科學(xué)出版社，1998.

［4］鄭哲敏.連續(xù)介質(zhì)力學(xué)與斷裂［J］.力學(xué)進(jìn)展，1982（3）133－136.

［5］楊于興，漆睿.X射線衍射分析［M］.上海：上海交通大學(xué)出版社，1994.