丁愛(ài)玲,吳 雁,王洪福,劉永姜

(1.中北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院,山西太原 030051;2.上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院機(jī)械與自動(dòng)化工程學(xué)院,上海 0200235)

細(xì)晶氧化鋯陶瓷是采用醇-水溶液加熱法結(jié)合共沉淀過(guò)程制備的納米氧化鋯粉體(粒徑 30～80 nm)經(jīng)熱壓燒結(jié)(燒結(jié)溫度 1450℃)而成,斷裂韌性顯著提高,易于實(shí)現(xiàn)材料塑性域磨削而獲得良好的加工表面,其優(yōu)異的物理性能獲得了廣泛應(yīng)用.但其加工中同樣存在硬脆材料去除率低、磨削效率差、表面亞表面存在不可控磨削裂紋等切削困難.1994年,Eiji Shamoto在 CIRP會(huì)議上提出了橢圓振動(dòng)切削方法,之后美、英、德和新加坡等國(guó)的大學(xué)以及國(guó)內(nèi)的北京航空航天大學(xué)和上海交通大學(xué)也進(jìn)行了相關(guān)研究,日本企業(yè)界如日立、多賀和 Towa公司等在這方面已進(jìn)入實(shí)用化階段.研究結(jié)果表明：橢圓振動(dòng)切削可以獲得優(yōu)良的切削加工效果[1-3],更易實(shí)現(xiàn)硬脆材料精密超精密切削.筆者所在課題組在對(duì)工程陶瓷超聲振動(dòng)加工中材料去除機(jī)理[4-5]的研究中發(fā)現(xiàn),硬脆材料塑性域超聲振動(dòng)加工表面層成形的許多關(guān)鍵問(wèn)題尚不清楚,制約了工程陶瓷精密超精密加工的實(shí)現(xiàn).文獻(xiàn) [6]中論述了二維超聲振動(dòng)磨削表面創(chuàng)成機(jī)理,認(rèn)為二維超聲振動(dòng)磨削改變了磨粒運(yùn)動(dòng)的軌跡,加強(qiáng)了磨粒之間的干涉,加工表面在不斷的“熨壓”作用下,表面質(zhì)量明顯提高.

本文就細(xì)晶氧化鋯陶瓷的二維超聲振動(dòng)磨削表面特征進(jìn)行了分析與試驗(yàn),基于原子力顯微鏡(Atomic Force Microscopy,AFM)和掃描電鏡(Scanning Electron Microscope,SEM)分析,對(duì)二維超聲振動(dòng)超精密磨削表面微觀特征與普通磨削表面進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究.研究結(jié)果表明：細(xì)晶氧化鋯陶瓷二維超聲振動(dòng)磨削可獲得良好的加工表面質(zhì)量.

1 二維超聲振動(dòng)磨削試驗(yàn)

試驗(yàn)用細(xì)晶氧化鋯陶瓷試件的主要力學(xué)性能參數(shù)為：陶瓷 ZrO2,抗彎強(qiáng)度 1150 MPa,斷裂韌性8～ 9MPa? m1/2,維氏硬度 11.1 GPa,平均晶粒尺寸 ＜500 nm,密度＞ 6.0 g/cm3,彈性模量 200 GPa.

試驗(yàn)方法：采用同一臺(tái)超聲波發(fā)生器驅(qū)動(dòng)成 90°放置的兩套換能器-變幅桿裝置,在平行和垂直砂輪線速度方向上同時(shí)施加超聲振動(dòng),二維超聲振動(dòng)磨削和普通磨削在同一臺(tái)超精密平面磨削機(jī)床GTS6016上完成,磨削試驗(yàn)條件為：① 砂輪修整.SiC砂輪修形,細(xì)顆粒磨料氧化鋁磨塊修銳,vs=26.6 m/s,磨削深度 10μ m/行程,干磨.②金剛石砂輪.金剛石砂輪粒度#270,W10,W5;樹脂結(jié)合劑;濃度 100%;規(guī)格 Do×B×Di=Φ350×35×Φ127.③超聲波振動(dòng).超聲波發(fā)生器功率 60 W;振幅A=11.98μ m,振幅 B=10.22μ m;振頻 19.356 kHz;干磨.采用 Multimode Nanoscope IIIa型掃描探針顯微鏡對(duì)磨削表面進(jìn)行觀察和檢測(cè).

2 細(xì)晶氧化鋯陶瓷二維超聲振動(dòng)磨削表面微觀形貌

由圖 1可見(jiàn),二維超聲振動(dòng)磨削表面光滑、潔凈,溝槽淺而寬,采用掃描隧道顯微鏡提供的斷面分析工具測(cè)得溝槽平均寬度為 9～ 12μ m,從溝槽之間的隆起不是很明顯,溝槽底部可以清晰地觀察到與普通磨削相似的微小耕犁痕跡;普通磨削表面溝槽深而窄,其平均寬度為 7～8μ m,溝槽之間隆起明顯,出現(xiàn)了一些毛刺狀未被去除的殘留材料,表面有尖銳凸起,陶瓷加工表面惡化.其原因可能是：二維超聲振動(dòng)磨削磨粒對(duì)垂直于其運(yùn)動(dòng)方向的所隆起的溝槽壁產(chǎn)生不斷的沖擊,磨粒在壓入運(yùn)動(dòng)時(shí)在溝槽兩側(cè)所形成的橫向裂紋,在高頻沖擊下急劇擴(kuò)展并延伸到材料表面,形成材料的破碎與脫落,最終形成較寬的磨削溝槽劃痕.

圖1 細(xì)晶氧化鋯陶瓷二維超聲振動(dòng)磨削與普通磨削表面微觀形貌 AFM圖Fig.1 AFM images from beneath# 270 diamond wheel finished surfaces of ZrO2

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

3.1 單顆磨粒切削運(yùn)動(dòng)軌跡對(duì)二維超聲振動(dòng)磨削表面特征的影響

在實(shí)際磨削過(guò)程中,單一磨粒都在進(jìn)行二維或三維的切削作用,情況較為復(fù)雜,很難進(jìn)行分析.將此單一磨粒質(zhì)點(diǎn)化,并假設(shè)試件 Z方向的材料已被其它磨粒切除,則可以考慮質(zhì)點(diǎn)僅在 X軸上或 X-Y平面內(nèi)切削運(yùn)動(dòng).單顆磨粒在普通磨削過(guò)程中,磨粒質(zhì)點(diǎn)僅做 X方向的一維切削運(yùn)動(dòng),而在二維超聲振動(dòng)磨削中,質(zhì)點(diǎn)除作 X方向水平運(yùn)動(dòng)外,在 Y方向上也存在著磨削運(yùn)動(dòng),其切削運(yùn)動(dòng)軌跡為圖 2所示的橢螺線軌跡.即除在砂輪線速度方向有切削作用外,在垂直于工件進(jìn)給方向上也存在著切削作用.

圖2 單顆磨粒運(yùn)動(dòng)軌跡圖Fig.2 Diagram of a grain cutting locus in both vibration grinding and conventional grinding

圖3 二維超聲振動(dòng)磨削單顆磨粒的運(yùn)動(dòng)模型Fig.3 Mo tion model of a grain in two-dimensional ultrasonic vibration grinding

3.2 二維超聲振動(dòng)磨削單顆磨粒與工件的接觸狀態(tài)

圖1試驗(yàn)結(jié)果表明：二維超聲振動(dòng)磨削表面單顆磨粒刻劃的溝槽底部平均寬度為 9～12μ m,近似超聲振動(dòng)的振幅大小;而普通磨削的溝槽底部較窄,說(shuō)明單顆磨粒與被加工材料的瞬時(shí)接觸狀態(tài)不同,如圖 3所示.超聲振動(dòng)磨削過(guò)程中單顆磨粒對(duì)垂直于其運(yùn)動(dòng)方向所隆起的溝槽壁產(chǎn)生不斷的沖擊,磨粒的壓入運(yùn)動(dòng)在溝槽兩側(cè)所形成的橫向裂紋,在高頻沖擊下急劇擴(kuò)展并延伸到材料表面,形成材料的破碎與脫落,最終形成較寬的磨削溝槽劃痕.普通磨削的溝槽深而窄,表明磨削時(shí)磨粒與工件材料處于 3面接觸,因此磨削中產(chǎn)生的摩擦力增大,導(dǎo)致磨削力增加和磨削區(qū)溫度相對(duì)較高.在硬脆材料加工中,同樣磨削深度下較大的磨削力,將會(huì)導(dǎo)致材料表面產(chǎn)生較多的微裂紋和較大的破碎,使被加工表面的強(qiáng)度下降,表面質(zhì)量降低.同時(shí),由于磨粒在普通磨削時(shí)受到材料的 3面包圍,較大的摩擦力導(dǎo)致磨削區(qū)產(chǎn)生高溫,當(dāng)溫度達(dá)到材料相變數(shù)值時(shí),會(huì)引起材料內(nèi)部微觀相結(jié)構(gòu)的改變,由于不同的相結(jié)構(gòu)具有不同的比容,則造成在晶界處的不同晶相在高溫下將產(chǎn)生不同的膨脹,導(dǎo)致材料在晶界處產(chǎn)生極大的應(yīng)力.當(dāng)應(yīng)力超過(guò)材料的斷裂強(qiáng)度時(shí),在晶界處產(chǎn)生穿晶或沿晶斷裂,結(jié)果引起陶瓷材料表面的破碎.圖 1(b)普通磨削表面的破碎面積大正說(shuō)明了這一點(diǎn).

同樣磨削條件下,二維超聲振動(dòng)磨削的單顆磨粒與工件的接觸(見(jiàn)圖 3),在絕大部分時(shí)間內(nèi)只是單面接觸(僅在磨粒的前刀面),此時(shí)摩擦力減小,磨削區(qū)和磨粒的散熱條件得以充分改善,磨削區(qū)溫度降低,磨削表面質(zhì)量得以改善.

3.3 材料力學(xué)性能對(duì)二維超聲振動(dòng)磨削表面微觀形貌特征的影響

選用 Al2O3-ZrO2(n),Al2O3,ZrO2三種陶瓷,固定磨削參數(shù)進(jìn)行平面磨削對(duì)比試驗(yàn),磨削表面粗糙度測(cè)量結(jié)果如表 1所示.試驗(yàn)結(jié)果表明：相同磨削條件下材料的力學(xué)性能對(duì)磨削表面質(zhì)量具有重要影響.Al2O3-ZrO2(n)和 ZrO2陶瓷的斷裂韌性分別為7.6 MPa? m1/2和 8 M Pa? m1/2,兩者的粗糙度值相接近;而 Al2O3的斷裂韌性為 3.78 MPa? m1/2,和前兩種陶瓷相比韌性較低,脆性較大,其表面粗糙度值無(wú)論是普通磨削還是二維超聲振動(dòng)磨削均略大.

用粗粒度(#270)金剛石對(duì) Al2O3,Al2O3-ZrO2(n),ZrO2三種陶瓷材料進(jìn)行二維超聲振動(dòng)磨削,磨削表面的 SEM電鏡照片如圖 4所示.從圖 4可以看出,ZrO2和 Al2O3-ZrO2(n)試件表面平滑,磨削表面質(zhì)量明顯優(yōu)于 Al2O3.由于 Al2O3-ZrO2(n)陶瓷和細(xì)晶 ZrO2陶瓷的斷裂韌性和抗彎強(qiáng)度較 Al2O3陶瓷高,脆性相對(duì)較小,脆-塑轉(zhuǎn)變的臨界應(yīng)力較大,故獲得已加工表面的斷裂破壞成分相對(duì)較小,更容易獲得精密磨削表面.

表1 材料力學(xué)性能對(duì)磨削表面粗糙度 Ra的影響Tab.1 Properties of ceramics versus surface roughness Ra

晶粒細(xì)化的氧化鋯陶瓷通過(guò)力學(xué)性能的改善,提高了材料的切削加工性能,在一定程度上解決了陶瓷材料的脆性問(wèn)題.對(duì)照?qǐng)D 4(b)和 4(c)可以看出,在同樣的磨削條件下,Al2O3陶瓷磨削表面只有輕微的擦痕,加工痕跡很少,擦痕被陶瓷所固有的缺陷、氣孔等截?cái)?基本上呈現(xiàn)材料本來(lái)的組織形貌,磨削表面沒(méi)有明顯的溝槽,加工表面幾乎呈脆性破碎狀態(tài),只有局部產(chǎn)生擠壓摩擦現(xiàn)象;圖 4(b)細(xì)晶 ZrO2陶瓷磨痕兩邊的材料在磨粒的切削過(guò)程中分別向兩邊隆起,部分呈微粉化細(xì)晶粒,同時(shí)伴有局部脆裂,磨痕底部一般比較光滑,這一現(xiàn)象說(shuō)明磨粒在切削過(guò)程中,材料發(fā)生了明顯的塑性流動(dòng),繼而被剪切去除.圖 4(a)Al2O3-ZrO2(n)微-納米復(fù)合陶瓷的磨削表面呈現(xiàn)出明顯的磨削痕跡,加工表面質(zhì)量明顯優(yōu)于 Al2O3陶瓷磨削表面.

圖4 二維超聲振動(dòng)磨削表面 SEM微觀形貌Fig.4 SEM micro-topog raphy of surface of ceramics after the two-dimensional ultrasonic vibration g rinding

4 結(jié) 論

同樣磨削條件下,二維超聲振動(dòng)磨削表面質(zhì)量?jī)?yōu)于普通磨削表面質(zhì)量.二維超聲振動(dòng)磨削表面峰谷較均勻,磨削表面均勻一致性優(yōu)于普通磨削表面.二維振動(dòng)磨削表面,磨?？虅潨喜圯^寬,溝槽底面光滑,網(wǎng)紋均勻,磨削表面粗糙度低,試驗(yàn)結(jié)果與理論分析相一致.二維振動(dòng)磨削可以有效提高磨削表面質(zhì)量,更易于實(shí)現(xiàn)硬脆材料塑性域磨削.

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