王宗偉，叢 巖

(1.包頭鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系，內(nèi)蒙古 包頭 014030)(2.空軍航空大學(xué)，長(zhǎng)春 130000)

隨著高精尖領(lǐng)域的不斷發(fā)展，工程陶瓷因其具有高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨性成為未來(lái)加工制造領(lǐng)域重點(diǎn)研究方向[1-3]，但是高脆性、高硬度及低斷裂韌性特點(diǎn)也極大限制了材料的可加工性，尤其對(duì)工程陶瓷的微細(xì)加工更成為陶瓷材料應(yīng)用推廣的瓶頸[4]?？准庸な枪こ烫沾刹牧衔⒓?xì)加工的重點(diǎn)，約占加工總量的40%[5]。目前，陶瓷材料小孔加工的方法主要以普通鉆削工藝為主，由于普通的鉆孔方式具有加工難度大、對(duì)機(jī)體損傷大以及表面質(zhì)量較差等缺點(diǎn)，難以滿足精密和超精密加工需要。

利用超聲振動(dòng)輔助加工可以降低加工過(guò)程中的載荷，延長(zhǎng)刀具耐用度，提高加工效率及表面質(zhì)量，是目前制造領(lǐng)域研究的重點(diǎn)[6-9]。而對(duì)于陶瓷材料的切削力研究，是超聲加工的主要研究方向，切削力降低會(huì)使加工過(guò)程中工藝系統(tǒng)的變形減小，進(jìn)而提高其加工精度，同時(shí)通過(guò)降低材料變形程度和裂紋尺度來(lái)提高加工表面/亞表面質(zhì)量[10]。

但就目前超聲振動(dòng)磨削加工來(lái)說(shuō)，研究?jī)?nèi)容主要集中在平面磨削加工方面，對(duì)內(nèi)孔表面質(zhì)量的研究相對(duì)較少?；诖?，將超聲振動(dòng)與傳統(tǒng)鉆削相結(jié)合，采用固結(jié)金剛石磨粒以磨代鉆的復(fù)合加工方式，對(duì)氧化鋯陶瓷進(jìn)行小孔磨削加工，并對(duì)加工后小孔的內(nèi)壁進(jìn)行形貌分析和粗糙度檢測(cè)，探究工藝參數(shù)對(duì)小孔表面粗糙度的影響規(guī)律，為超聲振動(dòng)輔助磨削內(nèi)孔加工提供依據(jù)。

1 基于旋轉(zhuǎn)超聲輔助的磨削加工方法

1.1 加工原理

旋轉(zhuǎn)超聲復(fù)合加工被認(rèn)為是加工脆硬性材料比較先進(jìn)的方式，通過(guò)將普通的磨削去除和超聲振動(dòng)加工結(jié)合在一起，兼具了兩者的加工優(yōu)點(diǎn)，在其他參數(shù)相同的情況下，超聲旋轉(zhuǎn)加工速度是傳統(tǒng)超聲波加工的10倍左右[11]。加工過(guò)程中，刀具軸線與工件平面保持垂直，通過(guò)工件做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，由刀具周圍的磨粒不斷地旋轉(zhuǎn)，對(duì)工件進(jìn)行磨削切除；在主軸方向上，通過(guò)附加超聲振動(dòng)，帶動(dòng)刀具頂端的金剛石磨粒對(duì)工件進(jìn)行沖擊，來(lái)完成一系列的壓入動(dòng)作，旋轉(zhuǎn)超聲輔助加工原理如圖1所示[12]。

圖1 旋轉(zhuǎn)超聲輔助加工原理

1.2 加工軌跡分析

與普通材料相比，陶瓷材料的脆硬特性等，使其具有不同的機(jī)械性能。以用旋轉(zhuǎn)超聲輔助方式對(duì)氧化鋯陶瓷進(jìn)行小孔磨削加工為例，從單顆磨粒作用于材料進(jìn)行分析，加工過(guò)程中磨削力的大小和材料去除率有著緊密的聯(lián)系。螺旋進(jìn)給旋轉(zhuǎn)超聲磨削加工中單顆磨粒的運(yùn)動(dòng)軌跡主要由4種運(yùn)動(dòng)方式合成，分別是刀具圍繞加工孔中心做圓周運(yùn)動(dòng)、磨粒圍繞主軸做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、沿軸向的直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)以及沿軸向的正弦超聲振動(dòng)[13]：

(1)刀具圍繞加工孔中心做圓周運(yùn)動(dòng)的軌跡為：

(1)

式中：r1為刀具中心到加工孔中心的距離，mm；n1為刀具繞加工孔中心的轉(zhuǎn)速，r/min；θ1為刀具初始相位，rad；t為加工時(shí)間，s。

(2)磨粒圍繞主軸做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的軌跡為：

(2)

式中：r2為磨粒質(zhì)心到刀具中心的距離，mm；n2為機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速，r/min；θ2為磨粒初始相位，rad。

(3)直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的軌跡為：

zf(t)=vf(t)

(3)

式中：vf為軸向進(jìn)給速度，mm/min。

(4)軸向正弦超聲振動(dòng)的軌跡為：

zv(t)=Asin(2πft)

(4)

式中：A為刀具超聲振動(dòng)的最大振幅，mm；f為超聲振動(dòng)的頻率，Hz。

聯(lián)立式(1)～式(4)，得出單顆磨粒在超聲振動(dòng)輔助小孔磨削加工過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)軌跡方程為：

(5)

通過(guò)Matlab繪制旋轉(zhuǎn)超聲輔助磨削加工磨粒運(yùn)動(dòng)軌跡和普通磨削磨粒運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖2所示。

與普通磨削加工方式相比，磨粒在超聲振動(dòng)輔助下增加了對(duì)工件的劃擦和錘擊等運(yùn)動(dòng)，降低了材料去除過(guò)程中的作用力，其運(yùn)動(dòng)軌跡為三維正弦曲線。由于磨粒的軸向進(jìn)給為合成運(yùn)動(dòng)，并且在單位振動(dòng)周期內(nèi)超聲運(yùn)動(dòng)位移遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于直線進(jìn)給位移，從而使切削時(shí)材料同磨粒之間不能保持持續(xù)接觸，僅當(dāng)其運(yùn)動(dòng)到波谷附近才形成接觸，當(dāng)位置上升到某一臨界范圍后兩者就會(huì)分離，而在臨界范圍內(nèi)的運(yùn)動(dòng)就屬于有效切削過(guò)程。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)在德國(guó)DMG公司生產(chǎn)的DMG Ultrasonic70-5型超聲振動(dòng)精密加工中心上進(jìn)行，機(jī)床超聲振動(dòng)方向是沿主軸軸向的一維往復(fù)式振動(dòng)，通過(guò)數(shù)控進(jìn)給主軸與超聲振動(dòng)系統(tǒng)相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的超聲加工。機(jī)床的最大額定轉(zhuǎn)速為18 000 r/min，超聲振動(dòng)發(fā)生器最大輸出功率為300 W，附加頻率范圍是18～30 kHz。試驗(yàn)采用直徑為1.0 mm的鎳基電鍍金剛石刀具，可加工長(zhǎng)度為10 mm，金剛石電鍍層長(zhǎng)度為5 mm，磨粒直徑為63 μm。陶瓷孔徑為1.2 mm，孔深為8 mm，進(jìn)行連續(xù)進(jìn)給一次成型磨削加工。試驗(yàn)結(jié)束后使用SJ-210粗糙度儀進(jìn)行粗糙度檢測(cè)，試驗(yàn)設(shè)備如圖3所示。

磨削使用的工件材料為氧化鋯陶瓷，工件尺寸為45 mm×16 mm，其基本力學(xué)性能見(jiàn)表1所示。

2.2 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)前對(duì)加工工件進(jìn)行精磨并拋光處理，減少工件表層的微裂紋和組織缺陷。試驗(yàn)時(shí)使用巴索高性能全合成切削液對(duì)加工區(qū)域進(jìn)行降溫、潤(rùn)滑和排屑，待系統(tǒng)穩(wěn)定后再通過(guò)測(cè)力儀平衡切削液的沖擊力來(lái)減少測(cè)力誤差。采用單因素試驗(yàn)方式，對(duì)主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、超聲功率分別進(jìn)行單因素試驗(yàn)，設(shè)計(jì)超聲振動(dòng)頻率為30 kHz，主軸轉(zhuǎn)速范圍為2 000～10 000 r/min，各加工參數(shù)和試驗(yàn)組別如表2所示。

表1 氧化鋯陶瓷主要力學(xué)性能參數(shù)

表2 單因素加工試驗(yàn)

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 表面形貌分析

探索加工后小孔內(nèi)表面微觀形貌的變化規(guī)律，研究超聲振動(dòng)對(duì)材料去除后的表面微觀形貌的影響和不同工藝參數(shù)條件下加工出的表面微觀形貌，對(duì)實(shí)現(xiàn)氧化鋯陶瓷材料超聲振動(dòng)磨削高質(zhì)量、高效率和低損傷精密加工具有重要意義。

磨削試驗(yàn)結(jié)束后，使用低速切割機(jī)對(duì)加工后的氧化鋯陶瓷材料進(jìn)行切割，切開(kāi)后再放入無(wú)水乙醇溶液中使用超聲清洗機(jī)對(duì)工件進(jìn)行清洗，得到氧化鋯陶瓷切片，如圖4所示。

圖4 氧化鋯陶瓷切片

使用激光共聚焦顯微鏡對(duì)切開(kāi)后的內(nèi)孔表面進(jìn)行觀測(cè)，以了解不同磨削條件下切片的表面形貌，如圖5所示。

圖5a表明：普通磨削加工后的內(nèi)孔表面可明顯看到螺旋形磨削痕跡，這將對(duì)加工后的表面粗糙度產(chǎn)生直接影響。圖5b表明：在旋轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)的輔助作用下，螺旋溝槽之間的隆起部分被有效去除，這表明在進(jìn)行內(nèi)孔加工過(guò)程中，隨著刀具的軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，超聲振動(dòng)對(duì)內(nèi)孔螺旋隆起部分進(jìn)行沖擊和劃擦，顯著地改善了加工質(zhì)量。

3.2 加工參數(shù)對(duì)粗糙度的影響

試驗(yàn)結(jié)束后使用粗糙度儀對(duì)小孔表面進(jìn)行檢測(cè)，分析不同主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度及超聲功率對(duì)加工后表面粗糙度的影響規(guī)律。

(1)主軸轉(zhuǎn)速影響分析

按表2中不同主軸轉(zhuǎn)速(1#～5#)下進(jìn)行普通磨削和旋轉(zhuǎn)超聲磨削，分析主軸轉(zhuǎn)速對(duì)小孔表面粗糙度的影響規(guī)律，表面粗糙度隨主軸轉(zhuǎn)速變化趨勢(shì)如圖6所示。

從圖6中可以看出：隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高，小孔表面粗糙度整體上呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。這是由于主軸轉(zhuǎn)速提高之后磨粒切削過(guò)程也相對(duì)加快，單位時(shí)間內(nèi)對(duì)加工區(qū)域作用的磨粒增多，降低了加工區(qū)域單顆磨粒的實(shí)際切削力，提升了加工效率以及加工質(zhì)量。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速超過(guò)6 000 r/min后，出現(xiàn)表面粗糙度下降趨勢(shì)放緩的現(xiàn)象。這是由于主軸轉(zhuǎn)速增大后，磨粒與加工區(qū)域摩擦增多造成孔內(nèi)熱量積累，使加工后的內(nèi)孔承受一定熱應(yīng)力，進(jìn)而使得粗糙度下降放緩。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到10 000 r/min時(shí)，普通磨削和超聲振動(dòng)磨削后的表面粗糙度分別下降到0.79 μm和0.41 μm。

圖6 表面粗糙度隨主軸轉(zhuǎn)速變化趨勢(shì)

(2)進(jìn)給速度影響分析

按表2中不同進(jìn)給速度(3#，6#～9#)下進(jìn)行普通磨削和旋轉(zhuǎn)超聲磨削，分析進(jìn)給速度對(duì)小孔表面粗糙度的影響規(guī)律，表面粗糙度隨進(jìn)給速度變化趨勢(shì)如圖7所示。

圖7 表面粗糙度隨進(jìn)給速度變化趨勢(shì)

從圖7可見(jiàn)：隨著進(jìn)給速度增大，表面粗糙緩慢增大；當(dāng)進(jìn)給速度達(dá)到3.5 mm/min時(shí)，普通磨削和超聲振動(dòng)磨削后的表面粗糙度分別增大到1.10 μm和0.52 μm。這是由于進(jìn)給速度增大使磨粒在相同加工區(qū)域內(nèi)切削次數(shù)降低，導(dǎo)致相鄰磨粒構(gòu)成的軌跡拉長(zhǎng)，相互干涉變少，磨削厚度會(huì)隨之提升，增大了加工中單顆磨粒受到的作用力以及單顆磨粒的材料去除量，造成粗糙度升高。

(3)超聲功率影響分析

采用不同超聲功率(3#，10#～13#)對(duì)小孔進(jìn)行旋轉(zhuǎn)超聲磨削，分析超聲功率對(duì)粗糙度的影響規(guī)律，表面粗糙度隨超聲功率變化趨勢(shì)如圖8所示。

從圖8可以看出：對(duì)氧化鋯陶瓷材料進(jìn)行旋轉(zhuǎn)超聲輔助磨削加工時(shí)，隨著超聲功率增大，工件表面粗糙度出現(xiàn)波動(dòng)下降。這是由于在附加超聲振動(dòng)后，磨粒在加工區(qū)域?qū)Σ牧线M(jìn)行高頻往復(fù)式的沖擊作用，增加了單位面積內(nèi)壓入材料的磨粒數(shù)量；此外超聲振動(dòng)增大了氧化鋯陶瓷塑脆性去除的臨界切削深度，使得在同樣的加工參數(shù)下，表面粗糙度可以有效降低。當(dāng)超聲功率達(dá)到100%時(shí)，加工后的表面粗糙度平均下降了52%。

圖8 超聲功率對(duì)表面粗糙度的影響

4 結(jié)論

將旋轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)與傳統(tǒng)鉆削相結(jié)合，提出一種基于旋轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)輔助的磨削加工工藝。采用固結(jié)金剛石磨粒以磨代鉆的復(fù)合加工方式，對(duì)氧化鋯陶瓷進(jìn)行小孔磨削加工研究。得出以下結(jié)論：

(1)建立了超聲振動(dòng)作用下磨粒的運(yùn)動(dòng)軌跡模型，并將普通磨削與超聲磨削加工中磨粒的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，超聲磨削加工中磨粒的運(yùn)動(dòng)軌跡為三維正弦曲線，可有效提高對(duì)材料的切削作用。

(2)隨著主軸轉(zhuǎn)速、超聲功率的增大，小孔表面粗糙度整體上呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)；隨著進(jìn)給速度的增大，表面粗糙度整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。旋轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)對(duì)加工時(shí)產(chǎn)生的螺旋紋理具有很好的去除效果，在超聲功率為100%時(shí)，加工后的表面平均粗糙度下降了52%，小孔磨削加工質(zhì)量得到較大改善。