牙科氧化鋯陶瓷增塑性銑削機(jī)理研究*

秦真江 孫全平 吳海兵 陳前亮

(①江蘇師范大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116;②淮陰工學(xué)院江蘇省數(shù)字化制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 淮安 223003)

加入3 mol%Y2O3穩(wěn)定劑的四方相氧化鋯陶瓷(3Y-TZP)通過(guò)應(yīng)力誘導(dǎo)相變?cè)鲰g機(jī)制具有出色的機(jī)械性能，在諸多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用［1-］。氧化鋯陶瓷是無(wú)機(jī)非金屬材料，具有高強(qiáng)度、高硬度、耐磨損、耐腐蝕、化學(xué)穩(wěn)定性好和色質(zhì)美觀等特性［4-5］。3Y-TZP的結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性與天然牙齒相接近，通過(guò)調(diào)色與牙齦膜可以達(dá)到最佳的美觀和諧效果，越來(lái)越多的患者選用此氧化鋯陶瓷作為口腔修復(fù)材料［6］。

目前口腔全瓷修復(fù)的主流工藝是利用牙科CAD/CAM 系統(tǒng)加工結(jié)構(gòu)疏松、易于切削的未燒結(jié)氧化鋯陶瓷坯體，然后在1 450 ℃左右進(jìn)行結(jié)晶化燒結(jié)［7］。此種工藝過(guò)程復(fù)雜，氧化鋯陶瓷坯體在完全燒結(jié)后體積縮小約20%，不能保證修復(fù)體的尺寸精度［8］。另一種方法是直接加工完全燒結(jié)的氧化鋯陶瓷成形，修復(fù)體的尺寸精度容易保證，但對(duì)機(jī)械加工的設(shè)備和工藝要求較高［9］。隨著先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，直接加工完全燒結(jié)的氧化鋯陶瓷成形工藝必將成為主流工藝。3YTZP 屬于脆性材料，材料去除以脆性斷裂方式進(jìn)行，容易產(chǎn)生微裂紋，影響材料的性能，在機(jī)械加工時(shí)刀具磨損嚴(yán)重［10］。因此，為擴(kuò)大牙科氧化鋯陶瓷應(yīng)用的廣度和深度，研究3Y-TZP 切削時(shí)的防裂機(jī)制、改善加工表面質(zhì)量、提高刀具使用壽命已勢(shì)在必行。

本文選用PCD 刀具在不同溫度下進(jìn)行牙科氧化鋯陶瓷銑削試驗(yàn)，對(duì)比研究3Y-TZP 在不同溫度下切削力的變化規(guī)律，分析了切屑的形態(tài)，觀測(cè)了后刀面的磨損情況，建立了有效的刀具磨損預(yù)測(cè)模型。

1 試驗(yàn)條件與方法

1.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)所用完全燒結(jié)氧化鋯陶瓷規(guī)格為52 mm ×24 mm×13 mm，其化學(xué)成分主要是氧化鋯，還含有氧化釔、氧化鉿、氧化鋁、氧化硅等成分，力學(xué)性能如表1 所示。

表1 完全燒結(jié)氧化鋯陶瓷力學(xué)性能參數(shù)

銑削試驗(yàn)在瑞士米克朗UCP800 五軸加工中心上進(jìn)行，利用Kistler 9257B 測(cè)力儀和與之配套的Kistler 5070 電荷放大器測(cè)量切削力Fx、Fy、Fz，分別表示徑向銑削力、切向銑削力、軸向銑削力。刀具由瑞典山維特克公司生產(chǎn)，刀片型號(hào)為R390-11T304E-P4-NL CD10，刀具幾何參數(shù)如表2 所示。使用OLYMPUS DSX100型顯微鏡觀測(cè)PCD 刀具后刀面磨損情況和切屑形態(tài)。

表2 PCD 刀具幾何參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方法

在不同溫度下進(jìn)行銑削對(duì)比試驗(yàn)，溫度分別為20 ℃，150 ℃，200 ℃，250 ℃，350 ℃。利用特制的多功能加熱爐進(jìn)行預(yù)熱，為保證切削過(guò)程中溫度恒定，使用溫度傳感器控制加熱溫度，試驗(yàn)裝置如圖1 所示。不同溫度下的切削參數(shù)相同且均為順銑，切削速度vc=56.52 mm/min，每齒進(jìn)給量fz=0.04 mm/齒，軸向切深ap=3 mm，徑向切寬ae=0.06 mm。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 動(dòng)態(tài)切削力分析

陶瓷材料加工中切削力主要來(lái)自刀具與工件表面、切屑的摩擦以及材料彈塑性變形產(chǎn)生的抗力。實(shí)驗(yàn)中測(cè)力儀測(cè)出的時(shí)域信號(hào)要進(jìn)行去噪處理，通過(guò)傅里葉變換將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)轭l譜密度再對(duì)其進(jìn)行分析并取平均值。圖2 是氧化鋯陶瓷在不同溫度下銑削時(shí)切削力變化圖，從圖中可以看出，預(yù)熱狀態(tài)下的切削力要小于常溫(20 ℃)狀態(tài)下的切削力，預(yù)熱切削時(shí)，刀具摩擦因數(shù)降低，變形系數(shù)減小，切削力會(huì)降低。切削初期，由于PCD 刀刃比較鋒利，比較容易切入高硬高脆的氧化鋯陶瓷，故不同溫度下的切削力相差不大。隨著切削時(shí)間的增長(zhǎng)，刀刃開(kāi)始磨鈍，不同溫度下的切削力相差越來(lái)越大，20 ℃環(huán)境下切削力增加的趨勢(shì)最明顯。而預(yù)熱狀態(tài)下，切削力的增加趨勢(shì)比較平緩，主要是因?yàn)轭A(yù)熱使氧化鋯陶瓷材料軟化，刀刃容易切入材料，降低了刀具和工件間的脆性沖擊，氧化鋯陶瓷材料開(kāi)始以塑性流動(dòng)型方式去除。由于PCD 刀具的耐熱性差，溫度越高，磨損越快，使用壽命越短，因此350 ℃環(huán)境下的切削力要大于其他預(yù)熱溫度下的切削力。

2.2 后刀面磨損形貌

圖3 是不同溫度下的后刀面磨損曲線，從圖中可以看出，刀具磨損經(jīng)歷了磨損開(kāi)始、磨損發(fā)展和快速磨損3 個(gè)階段。在切削后期，常溫狀態(tài)下后刀面的磨損最為嚴(yán)重。金剛石刀具的后刀面在磨損很小時(shí)，刀刃比較鋒利，不同溫度狀態(tài)下后刀面的磨損量相差不大，而隨著切削時(shí)間的延長(zhǎng)，磨損程度差距越來(lái)越明顯。切削32 min 后常溫狀態(tài)下PCD 刀具后刀面的磨損量是250 ℃環(huán)境下的2 倍多，150 ℃、200 ℃和250 ℃狀態(tài)下切削過(guò)程穩(wěn)定，可以有效提高刀具使用壽命，保證加工質(zhì)量。

常溫狀態(tài)下，隨著后刀面磨損程度增加，刀刃開(kāi)始變鈍，后刀面與材料的接觸不僅僅是摩擦，此時(shí)的沖擊力也開(kāi)始增強(qiáng)。而金剛石顆粒是通過(guò)結(jié)合劑在高溫高壓下燒結(jié)而成，后刀面和氧化鋯陶瓷材料之間的沖擊和振動(dòng)會(huì)使金剛石顆粒脫落，加速后刀面的磨損。預(yù)熱狀態(tài)下，氧化鋯陶瓷開(kāi)始軟化，刀具和材料間的沖擊減弱，機(jī)床的振動(dòng)也變?nèi)酰毒弑容^容易切入材料，此時(shí)氧化鋯陶瓷材料的去除不僅是以脆性斷裂的方式進(jìn)行，塑性切削也開(kāi)始發(fā)生，后刀面的磨損量增加幅度比較平滑。圖4 為不同溫度下銑削32 min 后PCD 刀具后刀面的磨損形貌，從圖中可以看出常溫狀態(tài)下刀具的磨損主要集中在后刀面，有明顯的磨損亮帶，后刀面磨損嚴(yán)重。預(yù)熱狀態(tài)下，后刀面的磨損亮帶細(xì)小，預(yù)熱使氧化鋯陶瓷材料軟化，切削時(shí)發(fā)生塑性變形，因此刀具磨損減小。但250 ℃和350 ℃狀態(tài)下刀尖處發(fā)生崩刃，預(yù)熱切削時(shí)刀尖處產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)排除，PCD刀具耐熱性差，致使刀尖崩刃。

2.3 切屑形態(tài)分析

圖5 為不同溫度下銑削20 min 后收集的切屑，在相同切削參數(shù)和切削時(shí)間里，不同溫度下的切屑有明顯的不同，250 ℃狀態(tài)下的切屑在尺寸上要大于其他溫度下的切屑。形狀上常溫切屑為不規(guī)則且有著鋒利的邊角，這在脆性材料的切削中比較常見(jiàn)，切屑不斷從材料連接的薄弱點(diǎn)脆性脫落。由于塑性變形，預(yù)熱切削的切屑在形狀上比較規(guī)則，主要呈片狀，但350 ℃溫度下的切屑已經(jīng)出現(xiàn)顆粒狀。

常溫狀態(tài)下，切削初期PCD 刀具后刀面磨損較小，刀刃比較鋒利，切屑主要以碎屑狀為主。隨著后刀面磨損加劇，刀刃開(kāi)始變鈍，切屑的尺寸變小，變?yōu)轭w粒狀和粉末狀并存，隨著后刀面磨損加劇，切屑的尺寸繼續(xù)變小，主要以粉末狀為主。預(yù)熱狀態(tài)下，氧化鋯化學(xué)鍵的結(jié)合強(qiáng)度降低，材料變軟，硬度降低，切屑以塑性流動(dòng)去除方式進(jìn)行，后刀面的磨損程度明顯弱于常溫切削，刀刃的鋒利程度高于常溫切削，所以切屑為片狀。切削初期，切屑呈片狀，尺寸較大，切屑上的縫隙和裂紋很少，切削后期也是呈片狀，但尺寸要小于初期，切屑上開(kāi)始呈現(xiàn)裂紋和縫隙，不再是完整的片狀，此時(shí)的切削機(jī)制開(kāi)始發(fā)生轉(zhuǎn)換，后刀面進(jìn)一步磨損，脆性斷裂變?yōu)橹鲗?dǎo)作用，刀具磨損是氧化鋯陶瓷以何種方式去除材料的重要因素。圖6 為切削32 min 后的切屑顯微形貌，此時(shí)常溫和350 ℃溫度下的切屑主要為粉末狀，而其他溫度下的切屑仍然呈片狀，150 ℃和250 ℃溫度下的切屑有著較大的尺寸。

2.4 基于灰色系統(tǒng)理論的刀具磨損預(yù)測(cè)

灰色系統(tǒng)是部分信息已知、部分信息未知的系統(tǒng)，即信息不完全的系統(tǒng)［11］。GM 模型，即灰色模型(gray model)，灰色建模利用原始數(shù)據(jù)列作生成后建立微分方程，GM(1，1)模型是灰色預(yù)測(cè)理論中最核心的模型。

GM(1，1)數(shù)值模型是

將x(0)、x(1)代入方程(1)中，利用最小二乘法求出方程(1)中的a、b 參數(shù):

求出GM(1，1)數(shù)值模型的解為:

將常溫和預(yù)熱后刀面磨損量作為原始數(shù)據(jù)列，即:

利用Mtalab 軟件編程求解，得出不同溫度下后刀面磨損量的預(yù)測(cè)值以及相關(guān)a、b 參數(shù)為:

通過(guò)計(jì)算得出，在不同溫度下預(yù)測(cè)值的殘差和相對(duì)殘差為:

從上述計(jì)算數(shù)據(jù)可以得出，不同溫度下，平均殘差分別為5.16%，2.43%，4.14%，1.79%，3.17%，精度分別為94.84%，97.57%，95.86%，98.21%，96.83%。運(yùn)用GM(1，1)模型預(yù)測(cè)牙科氧化鋯陶瓷銑削刀具的磨損精度高，預(yù)測(cè)模型有效可靠。

根據(jù)粗加工要求，選取PCD 刀具后刀面的磨損量達(dá)到300 μm 為磨鈍標(biāo)準(zhǔn)，利用公式:

分別求出不同溫度下PCD 刀具的使用壽命。k20℃=12.4，k150℃=25.4，k200℃=20.5，k250℃=22.2，k350℃=16.2。由于選取第4 min 后刀面的磨損量作為預(yù)測(cè)原始數(shù)列的第一個(gè)值，求出不同溫度下PCD 刀具的使用壽命分別為t20℃=53.6 min，t150℃=105.6 min，t200℃=86min，t250℃=92.8 min，t350℃=68.8 min。達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)后，為保證加工質(zhì)量，應(yīng)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)換刀。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)比PCD 刀具在不同溫度下銑削完全燒結(jié)氧化鋯陶瓷試驗(yàn)可以得出以下結(jié)論:

(1)預(yù)熱狀態(tài)下氧化鋯陶瓷有變軟趨勢(shì)，硬度降低，刀具和材料之間的沖擊減弱，機(jī)床的振動(dòng)變?nèi)酰毒呷菀浊腥氩牧希子阢娤骷庸ぁ?/p>

(2)常溫狀態(tài)下銑削氧化鋯陶瓷時(shí)，材料主要以脆性斷裂方式去除，而預(yù)熱狀態(tài)下，材料去除方式開(kāi)始向塑性變形過(guò)渡。

(3)在150 ℃～250 ℃狀態(tài)下銑削氧化鋯陶瓷可以延長(zhǎng)PCD 刀具的使用壽命。

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