陳曉曉 ，王 恒 ，張文武

（ 1.中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所，浙江寧波 315201；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049 ）

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，以工程陶瓷材料為代表的硬脆材料在航空航天、能源動(dòng)力、空間探測(cè)以及光學(xué)半導(dǎo)體領(lǐng)域中的應(yīng)用日益廣泛[1]。 陶瓷材料現(xiàn)有加工方法有磨削、超聲加工、激光加工、水射流加工以及電火花加工等[2-6]。 由于陶瓷材料的硬脆性，加工難度較大，有關(guān)硬脆材料高材料去除率方面的研究鮮有報(bào)道。 陶瓷材料性能優(yōu)良，在諸多先進(jìn)制造領(lǐng)域均有關(guān)鍵應(yīng)用， 為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)其高性能應(yīng)用，亟需解決該類材料的高效高質(zhì)加工難題。

為實(shí)現(xiàn)陶瓷材料的高效去除加工，本文提出一種激光預(yù)制微織構(gòu)與旋轉(zhuǎn)超聲加工結(jié)合的復(fù)合加工工藝。 該工藝先利用激光加工在工件表面加工出一定特征的微織構(gòu)，使其表面離散化，再進(jìn)行旋轉(zhuǎn)超聲加工。 由于工件表面由原來(lái)的連續(xù)結(jié)構(gòu)變?yōu)殡x散化結(jié)構(gòu)，材料的結(jié)構(gòu)、性能發(fā)生改變，在旋轉(zhuǎn)超聲加工時(shí)可降低刀具與工件之間的載荷，降低刀具磨損程度，從而有利于實(shí)現(xiàn)陶瓷等硬脆材料的高去除率加工。

本研究圍繞難加工硬脆材料高效高質(zhì)加工，針對(duì)預(yù)制微織構(gòu)氧化鋁陶瓷旋轉(zhuǎn)超聲銑削加工機(jī)理與工藝開展研究，并進(jìn)行初步應(yīng)用研究。

1 預(yù)制微織構(gòu)陶瓷旋轉(zhuǎn)超聲加工試驗(yàn)設(shè)置

表1 為激光預(yù)制微織構(gòu)參數(shù)，表2 為離散化超聲加工工藝參數(shù)。 試驗(yàn)采用的基本加工參數(shù)為：主軸轉(zhuǎn)速 n=5000 r/min、 進(jìn)給速度 F=800 mm/min、切削寬度ae=2 mm、 切削深度ap=50μm、 超聲頻率f=19.266 kHz。

表1 微織構(gòu)加工工藝參數(shù)及微織構(gòu)參數(shù)

表2 離散化超聲加工工藝參數(shù)

圖1a 為氧化鋁陶瓷激光微織構(gòu)加工、 離散化超聲加工現(xiàn)場(chǎng)。 由圖1b 所示加工前后表面對(duì)比情況可見，通過(guò)離散化超聲銑削加工后，工件表面無(wú)明顯劃痕，刀具磨損也不嚴(yán)重，說(shuō)明離散化有助于實(shí)現(xiàn)大切深加工，減少刀具磨損，提高刀具耐用度。

2 結(jié)果和討論

2.1 陶瓷材料離散化大去除量超聲加工表面質(zhì)量

圖2～圖5 分別是大去除量離散化氧化鋁陶瓷超聲加工表面形貌隨著進(jìn)給速度、主軸轉(zhuǎn)速、切削寬度以及切削深度變化的規(guī)律。

超聲振動(dòng)的施加會(huì)導(dǎo)致硬脆材料表面在高頻沖擊磨粒作用下發(fā)生小尺寸脆性去除且效果顯著，同時(shí)，材料離散化導(dǎo)致材料在沖擊作用下的應(yīng)力集中，并引起凸出微織構(gòu)邊緣部分塊狀脆性斷裂去除增多，且在大進(jìn)給速度、高主軸轉(zhuǎn)速的條件下更加顯著。 隨著進(jìn)給速度增加，微織構(gòu)頂面凹坑特征現(xiàn)象增強(qiáng)；隨著主軸轉(zhuǎn)速增加，微織構(gòu)頂面凹坑的最大深度增加，大尺度塊狀去除特征突出。

圖1 離散化超聲銑削加工現(xiàn)場(chǎng)及加工前后試件表面對(duì)比

無(wú)微織構(gòu)時(shí)，大去除量的情況下的加工受力較大，刀具底面、側(cè)面的金剛石磨粒損傷傾向較大，加工條件不利于提高表面質(zhì)量。 離散化超聲加工硬脆材料后， 離散化會(huì)導(dǎo)致過(guò)渡界面處的應(yīng)力集中，脆性斷裂更易于在幾何界面突變處發(fā)生；微織構(gòu)影響應(yīng)力傳播特點(diǎn)，且與高頻超聲條件下磨粒運(yùn)動(dòng)的線速度與極大加速度共同作用， 強(qiáng)化材料脆斷去除，在弱化機(jī)械抗力、延長(zhǎng)刀具壽命、提高耐用度等方面有改善作用，有利于提高材料去除率。

為發(fā)揮離散化的優(yōu)越性，本研究采用了大切深加工， 并發(fā)現(xiàn)隨著進(jìn)給速度和主軸轉(zhuǎn)速的增大，表面碎化現(xiàn)象更加劇烈，且對(duì)比小去除量加工時(shí)的情況，離散化結(jié)構(gòu)塊狀斷裂去除導(dǎo)致的邊緣破損更嚴(yán)重；主軸轉(zhuǎn)速較高時(shí)，參與切削的磨粒在一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)周期內(nèi)的切削軌跡比低主軸轉(zhuǎn)速時(shí)短，單磨粒材料去除量較小，不同參切磨粒之間的材料去除交互作用顯著，合理的主軸轉(zhuǎn)速與進(jìn)給速度匹配有助于形成良好的表面平整度，如主軸轉(zhuǎn)速為4500 r/min 時(shí)的離散化微織構(gòu)加工表面更好。 在保持其他工藝參數(shù)不變的情況下，增大切削寬度，磨粒參與切削的軌跡擺線增長(zhǎng)，切削與空切的時(shí)間比增大；隨著切削深度的增加，加工去除量增多，金剛石刀具參切磨粒承受的機(jī)械力增大， 脆性斷裂去除尺度增大，表面凹坑與崩邊出現(xiàn)概率加大，但此現(xiàn)象與其他工藝參數(shù)的交互作用會(huì)對(duì)材料去除、表面成形以及刀具磨損等產(chǎn)生綜合影響；隨著切削寬度和切削深度的增大，表面大尺度塊狀去除顯著，微織構(gòu)邊緣破損趨于平緩；在大切削深度、大切削寬度的加工條件下， 刀具磨損情況相比于無(wú)離散化時(shí)顯著改善，材料離散化一定程度上改善了機(jī)械力大、刀具磨損多、表面質(zhì)量差的加工問(wèn)題。

圖2 大去除量離散化超聲加工表面形貌隨著進(jìn)給速度變化（×1000）

圖3 大去除量離散化超聲加工表面形貌隨著主軸轉(zhuǎn)速變化（×1000）

圖4 大去除量離散化超聲加工表面形貌隨著切削寬度變化（×1000）

圖5 大去除量離散化超聲加工表面形貌隨著切削深度變化（×1000）

2.2 離散陶瓷材料部件超聲加工應(yīng)用

圖6 是離散化超聲加工的模型設(shè)計(jì)、激光預(yù)制微織構(gòu)、分區(qū)加工工藝策略試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)以及最終加工成形工件。 在前期研究和工藝參數(shù)優(yōu)選的基礎(chǔ)上，本研究首先在需加工的部位預(yù)制微織構(gòu)，接著經(jīng)粗加工用離散化超聲銑削以提高效率，最后以精加工用小去除量的銑磨加工提高質(zhì)量，并檢測(cè)了加工樣件不同部位的形貌特點(diǎn)（圖7）。檢測(cè)結(jié)果顯示：底面出現(xiàn)凹坑，邊緣可見層間切削磨粒軌跡，檢測(cè)得到的表面粗糙度為Ra1.33 μm。

圖6 加工模擬與離散化超聲加工應(yīng)用

圖7 不同部位的檢測(cè)結(jié)果

3 結(jié)論

本文進(jìn)行了離散化氧化鋁陶瓷旋轉(zhuǎn)超聲加工機(jī)理與工藝研究，分析了進(jìn)給速度、主軸轉(zhuǎn)速、切削寬度、切削深度等工藝參數(shù)的影響規(guī)律，同時(shí)進(jìn)行了典型部件的加工，得到如下結(jié)論：

（1）離散化超聲加工硬脆材料后，離散化會(huì)導(dǎo)致過(guò)渡界面處的應(yīng)力集中，脆性斷裂更易于在幾何界面突變處發(fā)生；微織構(gòu)影響應(yīng)力傳播，且與高頻超聲振動(dòng)磨粒運(yùn)動(dòng)的線速度與極大加速度共同作用，強(qiáng)化材料脆斷去除，在弱化機(jī)械抗力、延長(zhǎng)刀具壽命、提高耐用度等方面有改善作用，有利于提高材料去除率。

（2）合理的主軸轉(zhuǎn)速與進(jìn)給速度匹配可有助于形成良好的表面平整度。 隨著切削寬度和切削深度的增大，表面大尺度塊狀去除顯著，微織構(gòu)邊緣破損趨于平緩。

（3）針對(duì)典型硬脆難加工材料功能部件，可選區(qū)預(yù)制微織構(gòu)， 采用高效率離散化超聲銑削粗加工，同時(shí)結(jié)合小去除量銑磨精加工，改善加工質(zhì)量，可為硬脆性難加工材料高性能加工應(yīng)用提供了一種新的解決思路。