王 磊，董金善，楊林娟，

（1.南通職業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南通 226007；2.南京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 南京 211816）

隨著航空航天、過(guò)程裝備等行業(yè)的快速發(fā)展，硬脆材料的需求日益增多。氧化鋁陶瓷是研究和應(yīng)用較廣泛的一種工程陶瓷，具有熔點(diǎn)高、硬度高、絕緣性能好、耐蝕性能好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用作高溫結(jié)構(gòu)材料、耐腐蝕材料、電絕緣材料等［1?3］。由于這類材料硬度大、脆性強(qiáng)，普通銑磨加工后工件易出現(xiàn)表面損傷，機(jī)械性能較差［4?5］。旋轉(zhuǎn)超聲銑磨是在普通銑磨加工中施加超聲振動(dòng)的一種加工方式，具有表面質(zhì)量好、材料去除率高等加工優(yōu)勢(shì)［6?8］。目前國(guó)內(nèi)外已有部分學(xué)者在旋轉(zhuǎn)超聲條件下對(duì)氧化鋁陶瓷加工進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究［9?11］，但對(duì)不同加工條件下旋轉(zhuǎn)超聲銑磨氧化鋁陶瓷表面粗糙度的影響規(guī)律研究較少。本文以氧化鋁陶瓷為被加工對(duì)象，在不同加工條件下進(jìn)行了普通銑磨和旋轉(zhuǎn)超聲銑磨的對(duì)比試驗(yàn)，研究了加工工件的表面粗糙度隨超聲功率、砂輪線速度、進(jìn)給速度、銑磨深度以及砂輪粒度的變化規(guī)律，對(duì)提高氧化鋁陶瓷的加工質(zhì)量具有借鑒意義。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備及原理

本次試驗(yàn)在CY?VMC850加工中心上進(jìn)行。試驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示。超聲刀柄裝夾于機(jī)床主軸處，待加工材料黏結(jié)于金屬墊塊上，通過(guò)臺(tái)虎鉗夾緊后跟隨機(jī)床工作臺(tái)以一定的方向和速度作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。當(dāng)進(jìn)行超聲銑磨加工時(shí)，超聲裝置的工作原理是：當(dāng)超聲電源發(fā)出高頻電信號(hào)后，基于電磁感應(yīng)原理將電能傳遞至超聲刀柄上的線圈，再經(jīng)過(guò)換能器轉(zhuǎn)換、變幅桿放大，最終將振動(dòng)作用傳遞至砂輪上。該裝置關(guān)閉超聲電源后即轉(zhuǎn)換為普通銑磨加工設(shè)備。

圖1 試驗(yàn)平臺(tái)

1.2 試驗(yàn)材料及方法

選用氧化鋁陶瓷材料作為加工對(duì)象，工件長(zhǎng)50 mm、寬50 mm、厚6 mm，材料性能參數(shù)如表1所示。加工刀具為小直徑電鍍金剛石砂輪，規(guī)格為Φ14 mm×10 mm，粒度分別選用170＃和80＃。采用干磨方式對(duì)工件側(cè)面進(jìn)行銑磨加工，通過(guò)調(diào)節(jié)機(jī)床工作臺(tái)進(jìn)給速度來(lái)實(shí)現(xiàn)工件進(jìn)給速度的變化，各加工參數(shù)如表2所示。采用型號(hào)為TR240的表面粗糙度測(cè)量?jī)x測(cè)量試驗(yàn)后工件表面粗糙度，采用型號(hào)為KH?7700的超景深顯微鏡觀察分析試驗(yàn)后工件表面形貌。

表1 材料性能參數(shù)

表2 加工參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 超聲功率對(duì)表面粗糙度的影響

砂輪粒度170＃，vs＝2.56 m／s、vw＝100 mm／min、ap＝7 μm條件下進(jìn)行氧化鋁陶瓷銑磨試驗(yàn)，工件表面粗糙度隨超聲功率的變化規(guī)律如圖2所示。結(jié)果表明，當(dāng)超聲功率從0增大到90 W時(shí)，工件表面粗糙度從1.23 μm下降到1.04 μm，降低幅度約為14.8%。增大超聲功率對(duì)改善工件表面粗糙度有顯著作用，這是因?yàn)槌曊駝?dòng)使得砂輪上磨粒對(duì)工件的切削軌跡發(fā)生了變化。圖3為在不同超聲功率條件下銑磨時(shí)磨粒的切削軌跡。當(dāng)超聲功率為P1和P2時(shí)砂輪振動(dòng)幅度分別為A1和A2，由于P1＜P2，故A1＜A2；δ表示初始時(shí)相鄰兩顆磨粒的間距。當(dāng)超聲功率為0，即普通銑磨時(shí)，加工軌跡由多條平行的直線構(gòu)成，工件表面被切削的范圍及材料去除能力有限。旋轉(zhuǎn)超聲銑磨時(shí)，超聲功率為P1，砂輪在進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)加入了軸向振動(dòng)運(yùn)動(dòng)，使加工軌跡由多條正弦曲線構(gòu)成，曲線與曲線之間有交疊干涉的部分。這就意味著單位時(shí)間內(nèi)工件表面被切削的范圍增大、次數(shù)增多，能更加有效地去除工件材料。超聲功率增加至P2，正弦軌跡曲線的變化幅度變大，加工軌跡覆蓋的范圍更廣，切削路徑更長(zhǎng)，軌跡交疊的范圍也越大，工件表面被切削的次數(shù)也越多，殘留在工件表面上的材料更容易被切除，故表面粗糙度降低。此外，由于旋轉(zhuǎn)超聲的高頻振動(dòng)切削特性，降低了磨削力，去除陶瓷材料時(shí)產(chǎn)生的崩碎現(xiàn)象減輕，工件表面平整性變好，改善了工件的表面粗糙度。

圖2 超聲功率與表面粗糙度的關(guān)系

圖3 切削軌跡示意

超聲功率0和90 W加工工件表面形貌如圖4所示。由圖4可見，超聲功率為0，即普通銑磨后，工件表面存在多條互相平行的劃痕，殘留的碎屑多，破碎量大，平整性差，其表面粗糙度較高；超聲功率為90 W，即旋轉(zhuǎn)超聲銑磨后，工件表面只存在少許交叉重疊的正弦曲線劃痕，殘留的碎屑及破碎量較少，表面相對(duì)平整，表面粗糙度較低。

圖4 超聲功率與表面形貌的關(guān)系

2.2 砂輪線速度對(duì)表面粗糙度的影響

砂輪粒度170＃、vw＝100 mm／min、ap＝7 μm條件下對(duì)氧化鋁陶瓷進(jìn)行普通／超聲銑磨試驗(yàn)，表面粗糙度隨砂輪線速度的變化規(guī)律如圖5所示。結(jié)果表明，砂輪線速度從1.09 m／s增加到5.49 m／s時(shí)，普通銑磨表面粗糙度從1.36 μm下降到1.02 μm，旋轉(zhuǎn)超聲銑磨表面粗糙度從1.22 μm下降到0.87 μm，表面粗糙度均隨著砂輪線速度提高而下降。與普通銑磨相比，旋轉(zhuǎn)超聲銑磨后工件的表面粗糙度值更小，其表面粗糙度下降幅度為10.6%～19.3%。這是由于增大砂輪線速度后，單位時(shí)間內(nèi)砂輪磨粒與工件表面接觸次數(shù)增多，單顆磨粒切削厚度變小，工件表面殘留的材料體積能被有效去除。此外，提高砂輪線速度也會(huì)導(dǎo)致切削溫度升高，一定程度上使得加工表面上材料軟化，減輕材料去除時(shí)產(chǎn)生的崩碎現(xiàn)象，表面粗糙度得到改善。

圖5 砂輪線速度與表面粗糙度的關(guān)系

2.3 進(jìn)給速度對(duì)表面粗糙度的影響

砂輪粒度170＃、vs＝2.56 m／s、ap＝7 μm條件下對(duì)氧化鋁陶瓷進(jìn)行普通／超聲銑磨試驗(yàn)，表面粗糙度隨進(jìn)給速度的變化規(guī)律如圖6所示。結(jié)果表明，工件進(jìn)給速度從100 mm／min增加到550 mm／min時(shí)，普通銑磨后表面粗糙度從1.23 μm上升到1.51 μm；旋轉(zhuǎn)超聲銑磨后表面粗糙度從1.04 μm上升到1.39 μm。無(wú)論是普通銑磨還是旋轉(zhuǎn)超聲銑磨，進(jìn)給速度增大時(shí)，表面粗糙度均呈增大趨勢(shì)。與普通銑磨相比，旋轉(zhuǎn)超聲銑磨后工件表面粗糙度值更小，其表面粗糙度下降的幅度為7.6%～14.8%。提高了進(jìn)給速度后，砂輪磨粒與工件表面在單位周期內(nèi)的接觸頻率減小，單顆磨粒的切削厚度增大，工件表面殘留的材料體積變多，陶瓷材料不能充分去除。同時(shí)增大進(jìn)給速度會(huì)使磨削力增大，導(dǎo)致工件表面材料崩碎斷裂嚴(yán)重，工件表面的凹凸不平程度嚴(yán)重，表面粗糙度增大。

圖6 進(jìn)給速度與表面粗糙度的關(guān)系

2.4 銑磨深度對(duì)表面粗糙度的影響

砂輪粒度170＃、vs＝2.56 m／s、vw＝100 mm／min條件下對(duì)氧化鋁陶瓷進(jìn)行普通／超聲銑磨試驗(yàn)，表面粗糙度隨銑磨深度的變化規(guī)律如圖7所示。結(jié)果表明，銑磨深度從7 μm增加到22 μm時(shí)，普通銑磨后表面粗糙度從1.23 μm上升到1.53 μm，旋轉(zhuǎn)超聲銑磨后表面粗糙度從1.04 μm上升到1.45 μm。無(wú)論是普通銑磨還是旋轉(zhuǎn)超聲銑磨，銑磨深度增大時(shí)，表面粗糙度均增大。與普通銑磨相比，旋轉(zhuǎn)超聲銑磨后工件表面粗糙度值更小，其表面粗糙度下降幅度為5.2%～14.8%。提高了銑磨深度后，砂輪磨粒在單位時(shí)間內(nèi)去除材料的體積更多，單顆磨粒的切削厚度增大，工件表面殘留的材料體積增多，加工時(shí)留下的劃痕較深，同時(shí)磨削力的增加使得加工時(shí)工件材料的崩碎斷裂較為嚴(yán)重，工件表面的起伏波動(dòng)較大，表面粗糙度增大。

圖7 銑磨深度與表面粗糙度的關(guān)系

2.5 砂輪粒度對(duì)表面粗糙度的影響

按表3所示方案，研究了不同粒度砂輪所得氧化鋁陶瓷表面粗糙度的變化規(guī)律，結(jié)果如圖8所示。結(jié)果表明，與80＃砂輪相比，170＃砂輪旋轉(zhuǎn)超聲銑磨后得到的表面粗糙度值更低，下降幅度約為9.7%～23.1%。相比80＃砂輪，170＃砂輪在單位面積內(nèi)參與銑磨的磨粒數(shù)量更多，單顆磨粒去除陶瓷材料的厚度更小，銑磨后表面殘留的體積更少，劃痕更細(xì)，表面更加平整光滑，且由于超聲振動(dòng)條件下砂輪磨粒運(yùn)動(dòng)方式改變，得到的表面粗糙度就更小。

表3 砂輪粒度條件試驗(yàn)方案

圖8 砂輪粒度與表面粗糙度的關(guān)系

采用表3試驗(yàn)序號(hào)2的試驗(yàn)參數(shù)，對(duì)不同粒度砂輪旋轉(zhuǎn)超聲銑磨后的工件表面形貌進(jìn)行了觀察對(duì)比，結(jié)果如圖9所示。由圖9可知，80＃砂輪旋轉(zhuǎn)超聲銑磨后，表面存在一定量明顯的正弦曲線劃痕，劃痕較深，表面粗糙度較高；而170＃砂輪旋轉(zhuǎn)超聲銑磨后，表面只存在少許的正弦曲線劃痕，劃痕較淺，平整性相對(duì)較好，表面粗糙度較低。

圖9 砂輪粒度與表面形貌的關(guān)系

3 結(jié) 論

通過(guò)氧化鋁陶瓷普通銑磨與旋轉(zhuǎn)超聲銑磨加工對(duì)比試驗(yàn)，分析了加工工件表面粗糙度隨超聲功率、砂輪線速度、進(jìn)給速度、銑磨深度以及砂輪粒度的變化規(guī)律，得出如下結(jié)論：

1）隨著超聲功率增大，表面粗糙度降低，同時(shí)加工表面劃痕、碎屑及破碎現(xiàn)象明顯減輕，表面形貌顯著改善。

2）隨著砂輪線速度增大、進(jìn)給速度和銑磨深度減小，旋轉(zhuǎn)超聲銑磨和普通銑磨后得到的工件表面粗糙度均減??；旋轉(zhuǎn)超聲銑磨相比于普通銑磨，工件表面粗糙度下降幅度更大。

3）與80＃砂輪相比，170＃砂輪旋轉(zhuǎn)超聲銑磨后能得到更低的表面粗糙度，表面劃痕相對(duì)少而淺，平整性較好，即采用細(xì)粒度的砂輪加工效果更好。