鄭 侃,肖行志,廖文和

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094)

氧化鋯陶瓷以其良好的生物相容性、化學(xué)穩(wěn)定性、耐磨性以及表面光潔度，使之在口腔硬組織修復(fù)領(lǐng)域倍受青睞[1-3]。傳統(tǒng)全鋯牙的制作工藝是通過對預(yù)燒結(jié)氧化鋯瓷塊進(jìn)行高速銑削或磨削后再進(jìn)行二次燒結(jié)后獲得。由于在二次燒結(jié)過程中受成型壓力、粉體粒度、維壓時間和水分含量等因素的影響，收縮率難以精確計(jì)算[4]，實(shí)際生產(chǎn)中技工僅憑經(jīng)驗(yàn)對CAD模型進(jìn)行20%-25%的縮放，如圖1所示。石連水等[5]通過研究發(fā)現(xiàn)，材料廠家提供的參數(shù)均以沒有內(nèi)核的標(biāo)準(zhǔn)件(如正方形)測試出來的，與實(shí)際情況有明顯差別，并通過實(shí)驗(yàn)研究得出烤瓷牙冠不同部位收縮率不同。因此，為了避免氧化鋯陶瓷類牙冠因二次燒結(jié)所引起的精度誤差，最理想和便捷的途徑便是將超聲振動輔助加工技術(shù)引入口腔修復(fù)領(lǐng)域。超聲振動的輔助可實(shí)現(xiàn)對完全燒結(jié)氧化鋯陶瓷的直接加工，不僅避免了二次燒結(jié)過程中的體積收縮，同時縮短了病人的等待時間。

近年來，超聲振動輔助磨削技術(shù)以其優(yōu)良的工藝效果成為脆硬材料成形加工的首選。Churi等[6-8]提出了一種超聲振動輔助磨削陶瓷材料的去除率模型，闡明了材料去除率和加工參數(shù)之間的關(guān)系；Mohammad等[9]對不銹鋼材料進(jìn)行了超聲振動輔助磨削實(shí)驗(yàn)，分析了主軸轉(zhuǎn)速和超聲振幅對切削力的影響規(guī)律；Gong等[10]等對比分析了超聲加工和普通金剛石磨削過程中的刀具磨損性能；Nath等[11]等對碳化硅陶瓷進(jìn)行了超聲振動輔助磨削實(shí)驗(yàn)，分析了材料的去除機(jī)理；鄭書友等[12-13]對硬脆性材料超聲振動輔助磨削過程中的脆塑性轉(zhuǎn)變、切削力、亞表面損傷等進(jìn)行了深入研究；張向慧等[14]對超聲振動輔助磨削的振動系統(tǒng)進(jìn)行了研究，并通過有限元仿真驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性。雖然已有部分文獻(xiàn)對超聲振動輔助磨削陶瓷和金屬合金材料的加工特性進(jìn)行了分析，但關(guān)于牙科陶瓷材料，特別是完全燒結(jié)后氧化鋯陶瓷的超聲加工技術(shù)卻鮮有報道。

圖1 傳統(tǒng)氧化鋯陶瓷牙冠的制作工藝

本文將以該材料為研究對象，采用超聲振動輔助磨削和普通金剛石磨削兩種工藝進(jìn)行孔和平面的加工實(shí)驗(yàn)。從超聲振動輔助磨削的運(yùn)動學(xué)特性、材料去除率、加工質(zhì)量等方面進(jìn)行深入研究，并與無超聲輔助下的普通金剛石磨削結(jié)果進(jìn)行對比分析。

1 超聲振動輔助磨削的運(yùn)動學(xué)特性分析

目前對超聲振動輔助磨削技術(shù)的研究大多集中在振動和工藝參數(shù)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，而對其運(yùn)動學(xué)原理的分析相對較少。本節(jié)主要通過對超聲振動輔助磨削的運(yùn)動學(xué)特性進(jìn)行分析，為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)分析提供更為科學(xué)、合理的依據(jù)。本節(jié)所研究的運(yùn)動學(xué)特性均以金剛石刀具上的單顆磨粒為研究對象。超聲振動輔助磨削中主要包含三種運(yùn)動方式，圍繞軸向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動、沿著軸向的進(jìn)給運(yùn)動以及軸向的超聲振動。由于牙冠表面的特殊形貌，僅通過超聲振動輔助磨削孔加工難以實(shí)現(xiàn)，必須將超聲振動輔助磨削平面(曲面)與其相結(jié)合。文獻(xiàn)[8,15]均已給出了前者的運(yùn)動學(xué)方程，并進(jìn)行了深入研究。而超聲振動輔助磨削平面的運(yùn)動學(xué)特性則更為復(fù)雜，主要是因?yàn)槠溥M(jìn)給方向和超聲振動的方向不一致。單顆磨粒的有效切削速度由沿著徑向的進(jìn)給速度vf、刀具的旋轉(zhuǎn)速度vc以及超聲振動的速度vu三部分合成，如圖2所示。

圖2 超聲振動輔助磨削平面的運(yùn)動特性及單顆磨粒的有效切削速度示意圖

(1)

圖3 超聲振動輔助磨削平面單顆磨粒的運(yùn)動軌跡

(2)

將式(1)代入式(2)可得：

(3)

同時，對單顆磨粒位移S(t)進(jìn)行求導(dǎo)可得其有效切削速度：

(4)

(5)

(6)

(7)

2 超聲振動輔助磨削實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及參數(shù)設(shè)置

本次實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為采用超聲振動輔助磨削和普通金剛石磨削完全燒結(jié)的氧化鋯陶瓷孔和平面。實(shí)驗(yàn)均在德國DMG(ULTRASONIC20linear)超聲振動切削加工中心上完成。采用的金剛石刀具內(nèi)徑為6.5 mm，外徑為8.0mm，冷卻液為乳化液。工件為完全燒結(jié)的氧化鋯陶瓷，由秦皇島愛迪特高技術(shù)陶瓷有限公司提供，機(jī)械性能如表1所示。加工孔和平面的工件尺寸分別為：20 mm×15 mm×14 mm，30 mm×15 mm×4 mm，實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表1 完全氧化鋯陶瓷的性能指標(biāo)

表2 超聲振動輔助磨削實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果檢測及分析

2.2.1 主軸轉(zhuǎn)速對材料去除率的影響分析

材料的去除率決定了牙冠的加工效率。雖然采用超聲振動輔助磨削完全燒結(jié)的氧化鋯陶瓷避免了傳統(tǒng)工藝中的二次燒結(jié)，大幅度縮短了牙冠的制作周期，但其去除率仍是關(guān)注的焦點(diǎn)。以加工孔為例，對比分析兩種不同加工方式下的材料去除率，計(jì)算公式如下：

(8)

其中，r2為加工孔的外半徑，r1為內(nèi)半徑，d為加工孔的深度，如圖4所示，t為加工時間。圖5為兩種加工方式下，主軸轉(zhuǎn)速對完全燒結(jié)氧化鋯陶瓷材料去除率的影響曲線。

圖4 加工孔的尺寸示意圖

圖5 主軸轉(zhuǎn)速對兩種加工方式下的材料去除率影響曲線

從中可以看出，超聲振動的輔助有利于提高完全燒結(jié)后氧化鋯陶瓷材料的去除率。采用普通金剛石磨削，其去除率隨主軸轉(zhuǎn)速的增大而增大。在超聲振動的輔助下，當(dāng)轉(zhuǎn)速在2 000～5 000 r/min時去除率隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大而增大，這與Li等[16]研究低轉(zhuǎn)速情況下陶瓷基復(fù)合材料去除率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致；當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速提至5 000～8 000 r/min時，材料的去除率則呈現(xiàn)遞減趨勢，且在8 000 r/mi時兩種加工方式下的材料去除率基本相等。這主要是由于主軸轉(zhuǎn)速增大到某一特定的值時，超聲振動輔助磨削過程中刀具和工件的接觸時間增大，當(dāng)增大到與普通金剛石磨削基本相同時，兩者不存在分離現(xiàn)象，因此超聲輔助的作用明顯弱化，從而使得兩種加工方式的材料去除率較為接近。另外，無論是超聲振動輔助磨削還是普通金剛石磨削，主軸轉(zhuǎn)速對該材料的去除率影響不大。

2.2.2 主軸轉(zhuǎn)速對表面粗糙度影響分析

牙冠修復(fù)體屬復(fù)雜精密件，在完成加工后需植入人體口腔固定在損壞的殘牙基體上，因此對于其加工精度特別是表面粗糙度的要求比較高。本文采用中國生產(chǎn)的寶棱JB-5C粗糙度儀對超聲振動輔助磨削和普通金剛石磨削平面的表面輪廓平均算術(shù)偏差Ra進(jìn)行精確測量。其中測量長度為10 mm，取樣長度為0.25，采樣速度為0.5 mm，段數(shù)為5L，傳感器選擇標(biāo)準(zhǔn)，觸針半徑為2 μm，桿長為17 mm。測量結(jié)果如表3所示，主軸轉(zhuǎn)速對兩種加工方式下的粗糙度影響曲線如圖6所示。

從圖6中可以看出，采用超聲振動輔助磨削后的工件表面質(zhì)量明顯好于普通金剛石磨削。兩種加工方式下的工件表面粗糙度均隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大而增大，這與Razfar等[17]開展AISI1020鋼的超聲振動輔助磨削實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，但與Churi等[18]研究鈦合金的結(jié)果正好相反。另外，超聲振動輔助磨削過程中，在2 000～5 000 r/min時，工件表面粗糙度受主軸轉(zhuǎn)速影響明顯小于5 000～8 000 r/min，而通過改變普通金剛石磨削的主軸轉(zhuǎn)速發(fā)現(xiàn)工件表面粗糙度受其變化影響較小。

表3 兩種加工方式下工件表面粗糙度測量結(jié)果

圖6 主軸轉(zhuǎn)速對兩種加工方式下的粗糙度影響曲線

2.2.3 主軸轉(zhuǎn)速對邊緣碎裂影響分析

由于牙冠屬于復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu)件且尺寸較小，特別是其頸緣處為了滿足臨床上與基底冠或殘牙的配合精度要求，均具有鋒利的邊緣。同時，牙冠在使用過程中會因?yàn)檫吘壦榱呀档推鋸?qiáng)度從而導(dǎo)致失效。因此，出口邊緣碎裂是檢驗(yàn)其加工質(zhì)量的重要因素，必須通過相應(yīng)的措施來減少出口邊緣碎裂對牙冠加工精度和質(zhì)量的影響[19]。

對加工孔出口位置最大邊緣碎裂尺寸的測量采用的是KEYENCE超景深三維顯微系統(tǒng)(型號：VHX-600E)。圖7和圖8為主軸轉(zhuǎn)速在2 000 r/min和8 000 r/min時，放大50倍后得到的普通金剛石磨削和超聲振動輔助磨削完全燒結(jié)氧化鋯陶瓷的邊緣碎裂對比情況。圖9為主軸轉(zhuǎn)速對兩種加工方式所產(chǎn)生的最大邊緣碎裂寬度的影響規(guī)律。

圖7 轉(zhuǎn)速為2000 r/min時完全燒結(jié)氧化鋯陶瓷在兩種加工方式下的邊緣碎裂

圖8 轉(zhuǎn)速為8 000 r/min時完全燒結(jié)氧化鋯陶瓷在兩種加工方式下的邊緣碎裂

圖9 主軸轉(zhuǎn)速對兩種加工方式下的最大邊緣碎裂寬度影響曲線

根據(jù)測量結(jié)果可得，同等工況下超聲振動輔助磨削的邊緣碎裂程度較普通金剛石磨削有明顯改善。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時，采用普通金剛石磨削孔的出口邊緣有多處發(fā)生碎裂，且碎裂寬度最大，達(dá)到了739.63 μm，而當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到8 000 r/min時碎裂情況有所好轉(zhuǎn)僅在頂端出現(xiàn)1-2處的缺損，但最大碎裂寬度無明顯變化。這主要是在低轉(zhuǎn)速情況下的切削力較大，導(dǎo)致在出口處產(chǎn)生多處碎裂，但由于受加工工藝和完全燒結(jié)氧化鋯陶瓷材料硬度的影響，其邊緣碎裂尺寸變化不大。超聲振動輔助磨削與之類似，但圖7(b)和圖8(b)的碎裂程度幾乎沒有發(fā)生變化。因此，就邊緣碎裂情況而言，普通金剛石磨削受主軸轉(zhuǎn)速影響遠(yuǎn)大于超聲振動輔助磨削。同時，在超聲振動的輔助下，轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時，陶瓷工件最大邊緣碎裂寬度為187.74μm；在8 000 r/min時碎裂尺寸達(dá)到最小，僅為96.22 μm。因此可認(rèn)為，超聲振動的輔助使得完全燒結(jié)氧化鋯陶瓷的邊緣碎裂情況得到了很好的控制。另外，從圖9可得，在超聲振動輔助作用下，最大邊緣碎裂的寬度隨著轉(zhuǎn)速的增大而降低，并且在2 000～5 000 r/min范圍內(nèi)比5 000～8 000 r/min范圍內(nèi)的降幅更大。而在普通金剛石磨削情況下則有所不同，最大邊緣碎裂寬度在主軸轉(zhuǎn)速為2 000～5000 r/min范圍內(nèi)隨著轉(zhuǎn)速的增大而減小，在5 000～8 000 r/min范圍內(nèi)隨著轉(zhuǎn)速的增大而增大。

3 結(jié) 論

(1)超聲振動的輔助有利于提高完全燒結(jié)氧化鋯牙科材料的去除率，但受主軸轉(zhuǎn)速影響較小。

(2)在加工完全燒結(jié)氧化鋯牙科材料時，超聲振動的輔助有利于降低工件表面粗糙度，特別是在主軸轉(zhuǎn)速較低時效果明顯。

(3)超聲振動的輔助有利于抑制工件邊緣碎裂，大幅度降低其碎裂寬度。同時，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大，最大邊緣碎裂尺寸逐步減小。

另外，由于牙冠表面形貌較為復(fù)雜且多為薄壁件，因此，在后續(xù)的可行性研究中應(yīng)考慮采用超聲振動輔助磨削復(fù)雜曲面的特性，并分析其亞表面損傷機(jī)理。

參 考 文 獻(xiàn)

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