喬家平，汪 強，武韓強，曾 江，吳勇波

（1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150000；2. 南方科技大學(xué)，深圳 518055）

隨著航空航天產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，作為先進(jìn)材料的精細(xì)陶瓷，近十幾年來得到了廣泛的關(guān)注[1]。其中，氧化鋯陶瓷具有耐高溫、抗腐蝕性和耐磨性優(yōu)良等特性，成為推動航空航天產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵材料之一。但氧化鋯陶瓷由于同時具有高脆性、低斷裂韌性等特點，加工難度大，容易引起工件表面組織損傷，很難實現(xiàn)高精度、高效率、高表面質(zhì)量的加工，從而限制了其應(yīng)用范圍的進(jìn)一步擴(kuò)展。為了滿足近年來精細(xì)陶瓷等脆性材料制品日益增長的需求，在現(xiàn)有陶瓷加工方法的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究開發(fā)高精度、高效率和具有高表面完整性的精密加工方法顯得尤為重要[2–4]。

目前在氧化鋯陶瓷構(gòu)件的精密加工方面已有多種方法可供選擇，如金剛石砂輪磨削、磨料水射流加工、電火花加工、激光加工、超聲輔助加工等[5]。鄭建新等[6]從陶瓷磨削加工過程，有效材料去除率，臨界磨削深度與材料性質(zhì)以及材料的破壞形式等角度分析了陶瓷材料延性域磨削加工的可行性。馮衍霞[7]和李增強[8]等研究了陶瓷材料的磨料水射流切割和微銑削加工。陳明君等[9]采用ELID 磨削技術(shù)對陶瓷材料進(jìn)行磨削加工，實現(xiàn)了鏡面磨削，工件的表面粗糙度達(dá)到了納米級，但要實現(xiàn)陶瓷材料的延性域磨削，高剛度高分辨率的磨床仍然不可或缺。李洪峰等[10]對工程陶瓷的電火花加工技術(shù)原理和特點進(jìn)行了分析和闡述，并且對相應(yīng)的復(fù)合加工技術(shù)進(jìn)行了研究。東京大學(xué)Kizaki 等[11]研究了激光輔助加工氧化鋯陶瓷，結(jié)果表明，激光輔助能減小磨削力和刀具損傷，但工件表面會出現(xiàn)微裂紋。徐瑞玲等[12]建立了單顆磨粒的切削模型，通過仿真求解出砂輪線速度在一定范圍內(nèi)時，超聲振動對磨削加工作用影響顯著。張能等[13]研究了縱扭復(fù)合超聲輔助磨削加工氧化鋯陶瓷產(chǎn)生的磨削力變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)外加超聲振動在一定程度上強化了磨削能力，降低了磨削力。在這些研究中，超聲振動模式和作用方向均有不同，且針對的主要是磨削力、砂輪壽命等基本加工特性，而在氧化鋯陶瓷材料的鏡面磨削加工方面研究內(nèi)容較少。綜合而言，上述加工方法分別在某方面或一定程度上滿足了加工的需求，但隨著對加工精度、效率和成本等綜合要求越來越高，這些方法存在各自的局限性，使得加工成本占到生產(chǎn)成本的一半以上。

為了開發(fā)出一種針對氧化鋯陶瓷的具有較高加工效率并能獲得鏡面的加工新技術(shù)，本文提出了切向超聲輔助磨削加工方法，即加工中砂輪工作面上磨粒超聲振動方向始終與其切削速度方向垂直，并與磨削點處工件表面（包括平面和曲面）相切，提高了相鄰磨粒運動軌跡的交叉重合度，在加工效率得到保證的情況下使得鏡面磨削更易實現(xiàn)。傳統(tǒng)金剛石砂輪磨削過程中，存在磨削溫度高、磨削力大、表面質(zhì)量差和砂輪磨損快等問題。本文針對這些問題，研究了切向超聲輔助條件下，磨削溫度、磨削力以及表面質(zhì)量隨超聲振幅的變化規(guī)律，同時對砂輪的磨損也進(jìn)行了討論，旨在研究切向超聲對加工氧化鋯陶瓷的影響規(guī)律，從而改善工藝，最終實現(xiàn)鏡面磨削。

1 切向超聲輔助磨削加工原理

切向超聲輔助磨削加工原理如圖1（a）所示。將XYZ坐標(biāo)系固定在工件上，其中X軸、Y軸分別位于工件厚度和長度方向，而Z軸位于工件寬度方向并與砂輪軸線平行。直徑為d的金剛石砂輪沿自身軸向 （Z方向）做超聲振動 （頻率為f，振幅為Ap–p），同時，以速度ng做順時針旋轉(zhuǎn)，并以速率Vf沿工件表面從左往右進(jìn)給。砂輪圓周面，即工作面上的金剛石磨粒振動方向與加工面平行，從而實現(xiàn)切向超聲輔助磨削加工。在磨削過程中，金剛石磨粒在工件表面產(chǎn)生的切削痕跡變得相對復(fù)雜，由超聲振動、砂輪轉(zhuǎn)動和進(jìn)給運動合成。假設(shè)t=0 時刻，磨粒在XYZ坐標(biāo)系中位置為x=0、y=0、z=C，則根據(jù)圖1（a）的幾何運動關(guān)系，磨粒在工件表面產(chǎn)生的切削痕跡可近似表達(dá)為

基于式（1），將能得到如圖1（b）所示工件表面上形成的磨粒切削軌跡，即砂輪上相鄰兩顆磨粒1 和2 的切削軌跡，在振幅較大時將會出現(xiàn)交叉現(xiàn)象，從而減小表面粗糙度[14]。

圖1 切向超聲輔助磨削加工原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of tangential ultrasonic-assisted grinding

2 試驗裝置與加工參數(shù)

將超聲刀柄 （日本岳將公司UB40–C5–BT40，最大推薦使用轉(zhuǎn)速為4500r/min）安裝到三軸數(shù)控機(jī)床（美國哈挺公司GX1000Plus）主軸上，搭建了切向超聲輔助磨削試驗平臺，如圖2所示。超聲刀柄前端安裝直徑8mm 的金屬/樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪，砂輪軸向超聲振動頻率f=40kHz，振幅Ap–p在0～5μm 范圍內(nèi)可調(diào)。此外，在工件夾具和工作臺之間安裝了六分量測力計 （瑞士Kistler 儀器公司9119A），與電荷放大器和內(nèi)藏數(shù)據(jù)采集卡及相應(yīng)軟件的電腦組成磨削力測量系統(tǒng)，用于磨削力的實時測量。尺寸為15mm×10mm×8mm 的氧化鋯陶瓷工件通過夾具固定在測力計上表面，再和測力計一起固定在數(shù)控機(jī)床的工作臺上。在工作臺附近還設(shè)置了非接觸式熱成像儀 （美國菲力爾公司T660），用于測量磨削過程中的溫度。冷卻液由噴嘴、附加軟管、泵和水箱組成的供給系統(tǒng)以給定的流量供應(yīng)到磨削區(qū)域。磨削參數(shù)如表1所示。

表1 磨削加工試驗參數(shù)Table 1 Grinding experiment parameters

圖2 試驗裝置Fig.2 Experimental setup

為了確保試驗過程中設(shè)置砂輪切深的可靠性，對數(shù)控機(jī)床主軸在砂輪切深方向 （圖1所示的X方向）的定位精度進(jìn)行了測量。測量裝置和結(jié)果分別如圖3所示。首先在機(jī)床數(shù)控裝置上輸入X方向的設(shè)置位移量并運行程序，同時使用激光位移傳感器測量機(jī)床主軸的實際位移量。測量結(jié)果 （圖3（b））顯示，每設(shè)置1μm 的位移量，主軸的實際位移在測量范圍內(nèi)平均為1.04μm，與設(shè)置值只有4%的誤差，而且兩者間呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，表明所用機(jī)床精度可以有效保證在切深方向的參數(shù)設(shè)定要求。

圖3 數(shù)控機(jī)床精度測量裝置及測量結(jié)果Fig.3 Measurement device and results of CNC machine accuracy

加工后，工件表面形貌和粗糙度等特征用掃描電子顯微鏡 （德國蔡司Merlin SEM）和白光干涉儀 （英國泰勒·霍普森CCI HD）進(jìn)行表征測量，并用激光共聚焦顯微鏡 （日本基恩士公司VK–X1000）觀察加工后砂輪工作面的3D 形貌，對不同條件下使用后的砂輪磨損情況進(jìn)行表征。

3 結(jié)果與討論

3.1 表面質(zhì)量

首先，對切向超聲輔助磨削加工與無超聲的傳統(tǒng)磨削加工工件表面形貌和粗糙度進(jìn)行了比較。圖4為有/無超聲磨削加工后的氧化鋯陶瓷工件外觀照片。超聲輔助磨削加工后的表面接近鏡面，可以比較清晰地倒映出字母。

圖5（a）和（b）分別為圖4所示無超聲磨削區(qū)和有超聲磨削區(qū)的SEM 照片，并測量表面粗糙度，取平均值進(jìn)行對比。很顯然，無超聲時產(chǎn)生了明顯的沿砂輪進(jìn)給方向 （磨粒切削速度方向）平行分布的加工痕跡，表面粗糙度為Ra35.4nm；而有超聲時工件表面變得非常平整，幾乎看不到平行分布的加工痕跡，僅有輕微的正弦波紋路，表面粗糙度顯著降低，達(dá)到Ra19.9nm，降幅達(dá)43.8%。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，無超聲時金剛石磨粒劃過的溝槽明顯，深淺不一，而一旦施加切向超聲后，磨粒劃痕無較大起伏，整個平面更加平坦，這是由于超聲作用下引起的砂輪磨粒軌跡交叉重疊 （圖1（b）），對溝槽凸起部分的材料進(jìn)行了去除，從而改善了表面質(zhì)量。

圖4 無超聲（Ap–p=0）和有超聲（Ap–p=2.57μm）磨削后工件的外觀照片F(xiàn)ig.4 Optical images of workpieces after grinding without ultrasonic (Ap–p=0) and with ultrasonic (Ap–p=2.57μm)

圖5 有/無超聲磨削后工件表面SEM 照片對比Fig.5 SEM images comparison of work surfaces after grinding with and without ultrasonic

圖6為砂輪轉(zhuǎn)速ng=4200r/min下，超聲振幅Ap–p對工件表面粗糙度的影響規(guī)律。顯然，隨著Ap–p值增加，Ra值單調(diào)下降。然而，值得注意的是，在Ap–p=0～1.1μm 范圍內(nèi)，Ra從35.4nm 快速降低到22.1nm，降低幅度約為37.6%；隨著Ap–p繼續(xù)增大，在Ap–p=1.1～4.66μm 范圍內(nèi)，Ra下降速率開始變小，最終下降到19.9nm。這些現(xiàn)象表明，在設(shè)置的砂輪轉(zhuǎn)速條件下，在砂輪上施加超聲能顯著降低表面粗糙度。然而，應(yīng)注意的是，超聲振幅對表面粗糙度的作用效果會受砂輪轉(zhuǎn)速的影響[15]。

圖6 加工表面粗糙度隨振幅的變化Fig.6 Variation of surface roughness with ultrasonic amplitude

切向超聲輔助磨削可以達(dá)到鏡面效果，是由于超聲振動影響了工件的表面形貌，如圖7所示。圖7（a）為工件表面形貌的初始形態(tài)，無超聲的傳統(tǒng)磨削加工后，工件表面上產(chǎn)生了直條紋切削痕跡（圖5（a）），其表面形貌如圖7（b）右上所示，此時的表面形貌由砂輪磨粒大小及進(jìn)給速度等加工參數(shù)決定；然而，當(dāng)砂輪被施以軸向超聲振動時，工件表面就會產(chǎn)生正弦切削痕跡。當(dāng)超聲振幅足夠大時，不僅與原始直線切削痕跡相交，相鄰磨粒的正弦狀切削軌跡之間也會相互交叉 （圖1（b）和圖5（b）），從而使Ra值降低。交叉點越多，由于磨粒痕跡重疊熨燙、痕跡干涉和摩擦，磨削表面將更平滑，如圖7（b）右下的超聲輔助磨削后工件表面形貌。因此，隨著振幅的增大，工件表面的粗糙度值會逐漸下降，這也符合了圖5的試驗結(jié)果。

圖7 有/無超聲作用下磨粒切削軌跡示意圖Fig.7 Schematic diagram of abrasive grain cutting traces with/without ultrasonic

3.2 磨削力

圖8所示為切向超聲輔助磨削時，磨削力隨著超聲振幅的變化趨勢，其中Ap–p=0 為無超聲時的傳統(tǒng)磨削加工。可知，隨著Ap–p的增加，磨削力均呈現(xiàn)下降趨勢。法向磨削力Fx減小比較明顯，從Ap–p=0 時的0.65N下降到Ap–p=4.66μm時的0.43N，降幅約34%。其中，在Ap–p=0～1.1μm范圍內(nèi)時，F(xiàn)x減小約23.1%；在Ap–p=1.1～4.66μm 范圍內(nèi)時，F(xiàn)x減小約10.9%，下降速度變慢。這個現(xiàn)象說明，加上超聲之后，磨削力會有明顯的下降，但隨著超聲振幅的增大，磨削力下降速率變小。另一方面，超聲的有無以及超聲振幅對切向磨削力Fy的影響不明顯。事實上，在切向超聲輔助磨削過程中，F(xiàn)x對于材料去除機(jī)理起主要影響作用，F(xiàn)x變小有助于材料去除模式的脆塑轉(zhuǎn)換，更容易磨削出鏡面效果，并減少砂輪磨損[16]。

圖8 磨削力隨超聲振幅的變化Fig.8 Grinding forces versus ultrasonic amplitude

3.3 磨削溫度

圖9（a）為Vf=40mm/min、Ap–p=4.66μm 時，熱成像儀輸出記錄；圖9（b）為Vf=40mm/min 時磨削溫度隨超聲振幅的變化趨勢。試驗過程中停止供給磨削液，每個振幅下重復(fù)磨削加工5 次，將5 次結(jié)果的平均值作為該振幅下的磨削溫度?？梢钥闯觯S著振幅的增加，磨削溫度逐漸減小。無超聲（Ap–p=0）時，磨削區(qū)域平均溫度為61.8°，當(dāng)Ap–p= 1.1μm時，平均溫度為56.5°，下降了8.6%；當(dāng)Ap–p繼續(xù)增大到4.66μm 時，平均溫度下降到40.5°，降幅為34.5%，即振幅越大，磨削溫度下降越明顯。磨削溫度直接影響砂輪壽命和工件加工質(zhì)量，是研究加工過程的重點。在氧化鋯陶瓷磨削過程中，磨削溫度過高，可能會引起金剛石磨粒石墨化以及工件表面殘余應(yīng)力等形式的熱損傷，從而影響金剛石砂輪的使用壽命和氧化鋯陶瓷零件的機(jī)械性能。

圖9 磨削溫度隨超聲振幅的變化Fig.9 Grinding temperature versus ultrasonic amplitude

3.4 砂輪磨損

試驗中，使用激光共聚焦顯微鏡觀察砂輪在磨削加工后的形貌，對比其磨損狀況。圖10 為有/無超聲輔助條件下，磨削加工后的金屬/ 樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪 （SD 4000125MSH）的3D 形貌。從圖10（a）可以明顯看出無超聲輔助磨削加工后金剛石磨粒的脫落情況，而從圖10（b）可以看出超聲輔助條件下金剛石磨粒的切削刃雖被磨平，但磨粒并未脫落。這和前文所述的超聲作用下磨削力下降的現(xiàn)象有關(guān)。進(jìn)而對有/無超聲條件下使用后的砂輪表面進(jìn)行了SEM 觀察，其結(jié)果如圖11 所示。從圖11（a）中也可以看出，無超聲磨削后的砂輪表面有較明顯的磨粒脫落，而有超聲時磨粒脫落現(xiàn)象不明顯（圖11（b））。這些均表明超聲的施加能有效減輕砂輪的磨損。

圖10 砂輪磨損Fig.10 Grinding wheel wear

圖11 砂輪磨削加工后的表面形貌SEM 圖Fig.11 SEM images of surface morphology of the grinding wheel after grinding

4 結(jié)論

本文主要研究氧化鋯陶瓷鏡面磨削的加工方法，提出了切向輔助磨削加工工藝，并對其基本加工特性進(jìn)行了試驗研究，得出了以下結(jié)論：

（1）切向超聲輔助磨削加工后，工件表面粗糙度Ra比傳統(tǒng)磨削有較大的降低，本試驗參數(shù)范圍內(nèi)降幅達(dá)43.8%。同時，隨著超聲振幅的增大，工件表面粗糙度減小。

（2）隨著超聲振幅的增大，法向磨削力逐漸減小，但其減小速率逐漸變緩，相比無超聲作用的傳統(tǒng)磨削，減小幅度最大達(dá)到了34%。

（3）磨削溫度隨振幅增大而下降，本試驗參數(shù)范圍內(nèi)，相較于無超聲的傳統(tǒng)磨削，最大下降幅度達(dá)到了34.5%。

（4）切向超聲輔助磨削加工工藝可以改善砂輪的磨損狀況，減少砂輪上磨粒的脫落，延長砂輪的使用壽命。