林佳杰，魏 昕*，楊宇輝，汪永超,3

(1.廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006;2.東莞理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，廣東 東莞 523808；3.東源廣工大現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新研究院，廣東 河源 517583)

0 引 言

工程陶瓷等硬脆材料具有優(yōu)良的機(jī)械、化學(xué)性能，在諸多領(lǐng)域備受關(guān)注。工程上，各構(gòu)件常采用孔連接方式進(jìn)行連接。同時(shí)，隨著航天航空等技術(shù)的發(fā)展，硬脆材料盲孔類零件如軸承套、內(nèi)燃機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)中的活塞缸筒等應(yīng)用越來越廣泛，該類零部件對(duì)裝配有著較高的精度要求，孔的質(zhì)量會(huì)極大地影響裝備使用的安全性、可靠性及壽命，故對(duì)孔壁與孔底都有著較高的加工表面質(zhì)量要求。

而硬脆材料的高硬度、低斷裂韌性等特點(diǎn)加大了加工難度，采用傳統(tǒng)加工方式進(jìn)行制孔加工，容易出現(xiàn)刀具磨損、切削力大、制孔表面質(zhì)量差等問題。因此，尋求高質(zhì)量、高效率的制孔方式、匹配合適的工藝參數(shù)對(duì)工程陶瓷等硬脆材料大規(guī)模推廣應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

傳統(tǒng)制孔為半封閉式加工，切屑對(duì)表面造成二次損傷是造成表面質(zhì)量較差的重要原因之一。近年來，多位學(xué)者深入研究了螺旋銑孔加工疊層復(fù)合材料等加工機(jī)理及工藝規(guī)律[1]：相比傳統(tǒng)制孔方式，螺旋銑孔加工更有利于切屑及時(shí)排出，避免切屑對(duì)孔表面造成破壞；便于切削液進(jìn)入加工區(qū)域，改善加工環(huán)境，有效地提高表面質(zhì)量。ZHOU等人[2]對(duì)采用螺旋銑孔方式加工的孔壁表面形貌進(jìn)行了建模仿真，優(yōu)化了加工工藝，提高了孔壁質(zhì)量；TIAN等人[3]對(duì)螺旋銑削加工刀具與工件相互作用過程進(jìn)行了分析，并對(duì)不同切削刃位置的加工區(qū)域的表面形貌進(jìn)行了研究。旋轉(zhuǎn)超聲加工被公認(rèn)為高效精密加工硬脆材料的有效方法[4]。根據(jù)施加超聲振動(dòng)方向不同可分為一維縱向超聲振動(dòng)和二維縱扭超聲振動(dòng)，已有研究表明縱扭復(fù)合超聲振動(dòng)比一維縱向超聲振動(dòng)在降低切削力、提高加工質(zhì)量等方面效果更顯著[5]。劉立飛等人[6]對(duì)比了超聲振動(dòng)輔助磨削、普通磨削對(duì)表面損傷的影響情況，表明施加超聲振動(dòng)使表面損傷較少，表面損傷層較淺，有利于得到理想的表面質(zhì)量。

為解決工程陶瓷傳統(tǒng)制孔表面質(zhì)量差等問題，本文以磨代鉆，將超聲振動(dòng)與螺旋制孔方式結(jié)合，以表面粗糙度作為表面質(zhì)量的評(píng)價(jià)指標(biāo)，開展縱扭超聲振動(dòng)、一維縱向超聲振動(dòng)和普通螺旋磨削制孔對(duì)比實(shí)驗(yàn)；在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開展實(shí)驗(yàn)探究不同工藝參數(shù)對(duì)縱扭復(fù)合超聲螺旋磨削制孔表面質(zhì)量的影響規(guī)律，為工程實(shí)際應(yīng)用提供一定的參考。

1 工藝原理及表面創(chuàng)成機(jī)理分析

縱扭復(fù)合超聲振動(dòng)螺旋磨削制孔示意圖如圖1所示。

圖1 縱扭復(fù)合超聲振動(dòng)螺旋磨削制孔示意圖

圖1中，刀具中心軸與加工孔的中心軸偏離一定距離，在工件沿X軸、Y軸的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和刀具沿Z軸進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的共同作用下，刀具以一定的進(jìn)給速度沿著螺旋線運(yùn)動(dòng)；同時(shí)，對(duì)刀具施加縱扭復(fù)合超聲振動(dòng)及主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使磨粒與工件發(fā)生相互作用，實(shí)現(xiàn)材料的去除[7]。

所加工孔的直徑D為：

D=D0+2e

(1)

式中：D0—刀具外徑；e—偏心距。

根據(jù)運(yùn)動(dòng)疊加原理，刀具端面外邊緣的磨粒及側(cè)面磨粒的線速度vm可表示為：

vm=n·D+vf+2Ator·f

(2)

式中：n—主軸轉(zhuǎn)速；vf—螺旋進(jìn)給速度；Ator—扭轉(zhuǎn)超聲振幅；f—超聲振動(dòng)頻率。

而制孔的效率η可表示為：

(3)

式中：P—螺距。

磨粒切削線速度、切削效率將會(huì)影響到材料的去除及加工質(zhì)量，因此有必要提前了解各工藝參數(shù)與線切削速度、加工效率的關(guān)系，以便更合理分析發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)規(guī)律。

在制孔過程中，將形成孔壁和孔底兩個(gè)表面，兩者的形成均與材料去除機(jī)理密切相關(guān)。由于硬脆材料具有高硬度、低斷裂韌性等特點(diǎn)，不宜采用過大的螺距進(jìn)行加工，材料的去除主要是由刀具端面磨粒實(shí)現(xiàn)的。

孔底表面的形成主要是由刀具端面磨粒對(duì)材料去除引起的。在超聲振動(dòng)作用下，磨粒先以塑性去除方式對(duì)材料進(jìn)行切削，當(dāng)磨粒切削深度達(dá)到臨界切削深度時(shí)，以脆性斷裂方式實(shí)現(xiàn)材料去除。

硬脆材料的去除模式有塑性去除和脆性去除兩種，并以脆性去除模式為主。在脆性去除模式下，磨粒劃擦材料引起側(cè)向裂紋成核擴(kuò)展，裂紋擴(kuò)展至表面時(shí)材料將被去除而留下斷裂凹坑[8]，斷裂凹坑使表面質(zhì)量變差，表面粗糙度值增大。脆塑共存是超聲磨削加工創(chuàng)成孔底表面的主要方式，改變工藝參數(shù)會(huì)使材料去除方式所占的比例發(fā)生變化，從而影響表面質(zhì)量。

孔壁表面的形成既與刀具端面外端磨粒有關(guān)，也與刀具側(cè)面的磨粒有關(guān)。當(dāng)?shù)毒叨嗣嫱舛四チＲ源嘈匀コＪ角邢骺椎撞牧蠒r(shí)，所引起側(cè)向裂紋擴(kuò)展長度若大于磨粒與孔壁的距離時(shí)，將會(huì)造成孔壁亞表面損傷或形成微破碎，隨后刀具側(cè)面磨粒在超聲振動(dòng)、螺旋進(jìn)給等運(yùn)動(dòng)的作用下，對(duì)孔壁表面進(jìn)行多次微切削[9]，逐漸磨耗、修整孔壁表面材料，最終形成孔壁表面。

2 實(shí)驗(yàn)條件及方案

本次實(shí)驗(yàn)所使用的超聲機(jī)床及檢測(cè)儀器如圖2所示。

圖2 超聲機(jī)床及檢測(cè)儀器

從圖2中可以看到，縱扭超聲刀柄變幅桿上存在斜槽，其作用為將部分縱向超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)化為扭轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)縱扭共振[10]。

超聲振幅通過設(shè)置超聲能量百分比進(jìn)行調(diào)節(jié)，超聲頻率約為21.7 kHz，超聲能量百分比30%、40%、50%、60%、70%對(duì)應(yīng)的縱向超聲振幅約為2.5 μm、3.1 μm、3.8 μm、4.8 μm和6 μm，縱扭比約為3 ∶1。

更換一維縱向超聲刀柄可實(shí)現(xiàn)縱向超聲振動(dòng)磨削加工，關(guān)閉超聲振動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)普通磨削加工。

所用工件材料氧化鋯陶瓷的維氏硬度為11.5 GPa，彈性模量為210 GPa,泊松比為0.22～0.23，斷裂韌性為8.0 MPa·m1/2，工件尺寸為30 mm×30 mm×5 mm。采用外徑4 mm，內(nèi)徑2 mm，磨粒粒度為180目的中空電鍍金剛石刀具進(jìn)行螺旋磨削制孔。

當(dāng)加工至指定深度，刀具沿Z軸的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)停止，刀具在工件沿X軸、Y軸的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)共同作用下對(duì)孔底繼續(xù)進(jìn)行切削，可將盲孔孔底加工為平面。采用外加切削液方式進(jìn)行冷卻。

為探究施加縱扭超聲振動(dòng)后超聲振幅、螺距、主軸轉(zhuǎn)速、螺旋進(jìn)給速度等工藝參數(shù)對(duì)孔底和孔壁表面粗糙度的影響規(guī)律，本文進(jìn)行了單因素實(shí)驗(yàn)。

單因素實(shí)驗(yàn)變量如表1所示。

表1 單因素實(shí)驗(yàn)變量

為了能夠在不同儀器下對(duì)孔底和孔壁表面粗糙度進(jìn)行觀測(cè)，每組相同工藝參數(shù)的實(shí)驗(yàn)分別加工出深度為5 mm和0.2 mm的孔。

實(shí)驗(yàn)后，筆者對(duì)樣件進(jìn)行超聲清洗10 min，然后采用白光干涉儀和馬爾表面輪廓儀分別對(duì)孔底和孔壁的表面粗糙度進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)樣件測(cè)3個(gè)點(diǎn)并取平均值。

3 結(jié)果與討論

前期試驗(yàn)中，對(duì)比了不同主軸轉(zhuǎn)速下縱扭超聲、一維縱向超聲和普通螺旋磨削制孔加工對(duì)孔壁和孔底表面粗糙度的影響情況。

孔底表面質(zhì)量對(duì)比實(shí)驗(yàn)的工藝參數(shù)為：

超聲振幅3.8 μm，螺距4 μm，螺旋進(jìn)給速度625 mm/min，偏心距1 mm，刀具外徑為6 mm，磨粒粒度為250目。

孔壁表面質(zhì)量對(duì)比實(shí)驗(yàn)的工藝條件為：

超聲振幅3.8 μm，螺距3.5 μm，螺旋進(jìn)給速度750 mm/min，偏心距1 mm，刀具外徑為4 mm，磨粒粒度為180目。

不同轉(zhuǎn)速下加工方式對(duì)孔表面質(zhì)量的影響如圖3所示。

圖3所示的試驗(yàn)結(jié)果表明：

圖3 不同轉(zhuǎn)速下加工方式對(duì)孔表面質(zhì)量的影響

(1)相比普通加工和一維縱向超聲加工，縱扭復(fù)合超聲振動(dòng)加工孔壁表面粗糙度降低幅度為8.0%～49.6%；

(2)孔底表面粗糙度降低幅度為17.9%～29.8%。

由此可見，縱扭復(fù)合超聲加工有利于降低孔底和孔壁的表面粗糙度，提高制孔表面質(zhì)量，將可能成為一種更有效的制孔方式。

因此，進(jìn)一步探究縱扭超聲振動(dòng)加工工藝參數(shù)對(duì)孔壁和孔底表面質(zhì)量的影響規(guī)律十分必要。

3.1 超聲振幅對(duì)孔底和孔壁表面粗糙度的影響

超聲振幅對(duì)孔壁和孔底表面粗糙度的影響如圖4所示。

圖4所示的結(jié)果表明：

圖4 超聲振幅對(duì)孔底和孔壁表面粗糙度的影響

(1)超聲振幅對(duì)孔底和孔壁表面粗糙度的影響趨勢(shì)相似；

(2)隨著超聲振幅增大，孔壁和孔底表面粗糙度均逐漸減小。

造成孔底表面粗糙度變化的原因主要是因?yàn)樵龃蟪曊穹牧洗嗨苻D(zhuǎn)變臨界深度增大[11]，從而提高材料塑性去除的比例；同時(shí)，一個(gè)周期內(nèi)磨粒與工件材料的分離時(shí)間占比增大，更有利于切屑排出及切削液進(jìn)入加工區(qū)

域改善加工環(huán)境。因此，孔底的表面質(zhì)量得到提高。

而造成孔壁表面粗糙度變化的原因主要是提高超聲振幅。一方面孔底塑性去除比例提高，降低了刀具端面邊緣磨粒切削誘導(dǎo)微裂紋擴(kuò)展至孔壁表面的可能性；另一方面，增大了側(cè)面磨粒與工件材料接觸的軌跡長度及切削區(qū)域，增大了側(cè)面磨粒切削工件材料的瞬時(shí)速度[12]，在材料去除率相同的情況下，側(cè)面磨粒的切削深度將減小，有利于提高孔壁的表面質(zhì)量。

同時(shí)，通過圖4還可發(fā)現(xiàn)，相同工藝條件下，孔底表面粗糙度大于孔壁表面粗糙度；選取較大超聲振幅有利于縮小兩者的差距。

3.2 螺距對(duì)孔底和孔壁表面粗糙度的影響

螺距對(duì)孔底和孔壁表面粗糙度的影響如圖5所示。

圖5 螺距對(duì)孔底和孔壁表面粗糙度的影響

圖5所示的結(jié)果表明：

(1)螺距對(duì)孔底和孔壁表面粗糙度的影響趨勢(shì)相似；

(2)隨著螺距增大，孔底和孔壁表面粗糙度值均呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。

根據(jù)式(3)可知，螺距增大，材料的去除效率提高，刀具端面單顆磨粒的最大未變形切削厚度增加，當(dāng)切削深度超過臨界深度時(shí)，脆性斷裂所占比例增大，表面破碎和斷裂凹坑增多，而若螺距進(jìn)一步增大，加工方式趨向于普通磨削加工，從而使孔底表面粗糙度增大。同時(shí)，單顆磨粒的最大未變形切削厚度增大將使磨粒的切削力增大，而側(cè)向裂紋擴(kuò)展的長度與切削力成正比[13]，因此促進(jìn)了側(cè)向裂紋擴(kuò)展，增大了發(fā)生刀具端面外側(cè)磨粒劃擦工件誘導(dǎo)微裂紋損傷孔壁表面的可能性。被損傷的孔壁表面隨后在側(cè)面磨粒的多次切削、撕扯下，材料更容易以斷裂的形式去除，從而使孔壁的表面質(zhì)量變差。

另外，從圖5中還可知，孔底表面粗糙度大于孔壁表面粗糙度；螺距為2.5 μm～3.8 μm之間時(shí)，螺距的變化對(duì)孔壁表面粗糙度的影響較小。

3.3 主軸轉(zhuǎn)速對(duì)孔底和孔壁表面粗糙度的影響

主軸轉(zhuǎn)速對(duì)孔底和孔壁表面粗糙度的影響如圖6所示。

圖6 主軸轉(zhuǎn)速對(duì)孔底和孔壁表面粗糙度的影響

圖6所示的結(jié)果表明：

主軸轉(zhuǎn)速對(duì)孔底和孔壁表面粗糙度的影響趨勢(shì)相反。隨著主軸轉(zhuǎn)速增大，孔底表面粗糙度將逐漸減小。這是由于主軸轉(zhuǎn)速提高，即磨粒切削線速度提高，單位超聲振動(dòng)周期內(nèi)磨粒劃擦材料表面的距離變長，在材料去除率相同的情況下，單顆磨粒的最大未變形切削深度減小，降低了磨粒所受的載荷，減弱了側(cè)向裂紋成核的深度及擴(kuò)展程度，從而降低了材料破碎程度，提高了孔底的表面質(zhì)量。

相反地，孔壁表面粗糙度隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大而增大，在主軸轉(zhuǎn)速小于18 000 r/min時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速對(duì)孔壁表面粗糙度的影響較小，而主軸轉(zhuǎn)速超過18 000 r/min時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速對(duì)孔壁表面粗糙度影響較明顯。在主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到22 000 r/min時(shí)，出現(xiàn)孔壁表面粗糙度大于孔底表面粗糙度的情況。這可能是由于主軸轉(zhuǎn)速增大，加劇了刀具與扭轉(zhuǎn)方向超聲振動(dòng)的耦合作用，使刀具側(cè)面磨粒對(duì)孔壁表面的沖擊更明顯，從而使孔壁表面粗糙度增大。

3.4 螺旋進(jìn)給速度對(duì)孔底和孔壁表面粗糙度的影響

螺旋進(jìn)給速度對(duì)孔底和孔壁表面粗糙度的影響如圖7所示。

圖7 螺旋進(jìn)給速度對(duì)孔底和孔壁表面粗糙度的影響

圖7所示的結(jié)果表明：

螺旋進(jìn)給速度對(duì)孔底和孔壁表面粗糙度的影響趨勢(shì)總體上相反。隨著螺旋進(jìn)給速度增大孔底表面粗糙度先增大后減?。划?dāng)螺旋進(jìn)給速度大于875 mm/min時(shí)，提高螺旋進(jìn)給速度對(duì)降低孔底表面粗糙度的效果不明顯，可見高進(jìn)給速度下對(duì)孔底表面粗糙度的影響較小。這是由于螺旋進(jìn)給速度增大，材料去除效率提高，部分材料未被完全切除，孔底表面殘留材料過多使表面質(zhì)量變差；而當(dāng)進(jìn)給速度超過750 mm/min時(shí)，而隨著進(jìn)給速度進(jìn)一步增大，使磨粒切削線速度增大提高表面質(zhì)量的效果更顯著，從而使表面粗糙度降低。

一方面材料的去除率提高，降低了表面質(zhì)量；另一方面磨粒線切削線速度提高，提高了表面質(zhì)量。這對(duì)矛盾哪一方面起主導(dǎo)作用，決定了孔底表面粗糙度值的變化趨勢(shì)。

而孔壁表面粗糙度隨著螺旋進(jìn)給速度增大先減小后增大。這是由于增大螺旋進(jìn)給速度，單位時(shí)間內(nèi)參與切削的側(cè)面磨粒數(shù)增多，單顆磨粒的去除體積減小，有利于提高塑性去除比例；同時(shí)，側(cè)面磨粒對(duì)孔壁多次修整，殘留材料逐漸被切除，使表面質(zhì)量提高；而隨著螺旋進(jìn)給速度進(jìn)一步提高，刀具振動(dòng)劇烈，使表面質(zhì)量變差。

這與高主軸轉(zhuǎn)速情況下提高主軸轉(zhuǎn)速使表面質(zhì)量降低的原因有共通之處。

4 結(jié)束語

筆者采用超聲振動(dòng)螺旋磨削方式進(jìn)行制孔，在驗(yàn)證縱扭超聲振動(dòng)加工優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)探究了縱扭超聲振動(dòng)加工不同工藝參數(shù)對(duì)制孔表面質(zhì)量的影響規(guī)律，得到以下結(jié)論：

(1)縱扭超聲振動(dòng)加工更有利于提高制孔表面質(zhì)量。相比普通加工和一維縱向超聲加工，縱扭復(fù)合超聲振動(dòng)加工孔壁表面粗糙度降低幅度為8.0%～49.6%；孔底表面粗糙度降低幅度為17.9%～29.8%；

(2)孔壁和孔底表面的形成既有共通點(diǎn)又存在一定的差異?？椎妆砻嬷饕嵌嗣婺チＧ邢鞑牧闲纬傻?；而孔壁表面與刀具端面邊緣磨粒與材料相互作用有關(guān)，也與側(cè)面磨粒對(duì)孔壁表面材料的相互作用有關(guān)；

(3)在選取參數(shù)范圍內(nèi)，超聲振幅、螺距對(duì)孔底和孔壁表面粗糙度的影響趨勢(shì)相似。而主軸轉(zhuǎn)速及螺旋進(jìn)給速度對(duì)兩者表面粗糙度的影響趨勢(shì)總體上相反。若加工通孔，則直接以孔壁表面粗糙度的影響規(guī)律為參考進(jìn)行參數(shù)匹配。而若加工盲孔，需重點(diǎn)對(duì)影響規(guī)律相反的工藝參數(shù)進(jìn)行考慮，兼顧孔壁和孔底的表面質(zhì)量。