超聲振動輔助磨削完全燒結氧化鋯陶瓷牙冠的實驗研究

鄭 侃,肖行志,廖文和

(南京理工大學 機械工程學院，南京 210094)

氧化鋯陶瓷以其良好的生物相容性、化學穩定性、耐磨性以及表面光潔度，使之在口腔硬組織修復領域倍受青睞[1-3]。傳統全鋯牙的制作工藝是通過對預燒結氧化鋯瓷塊進行高速銑削或磨削后再進行二次燒結后獲得。由于在二次燒結過程中受成型壓力、粉體粒度、維壓時間和水分含量等因素的影響，收縮率難以精確計算[4]，實際生產中技工僅憑經驗對CAD模型進行20%-25%的縮放，如圖1所示。石連水等[5]通過研究發現，材料廠家提供的參數均以沒有內核的標準件(如正方形)測試出來的，與實際情況有明顯差別，并通過實驗研究得出烤瓷牙冠不同部位收縮率不同。因此，為了避免氧化鋯陶瓷類牙冠因二次燒結所引起的精度誤差，最理想和便捷的途徑便是將超聲振動輔助加工技術引入口腔修復領域。超聲振動的輔助可實現對完全燒結氧化鋯陶瓷的直接加工，不僅避免了二次燒結過程中的體積收縮，同時縮短了病人的等待時間。

近年來，超聲振動輔助磨削技術以其優良的工藝效果成為脆硬材料成形加工的首選。Churi等[6-8]提出了一種超聲振動輔助磨削陶瓷材料的去除率模型，闡明了材料去除率和加工參數之間的關系；Mohammad等[9]對不銹鋼材料進行了超聲振動輔助磨削實驗，分析了主軸轉速和超聲振幅對切削力的影響規律；Gong等[10]等對比分析了超聲加工和普通金剛石磨削過程中的刀具磨損性能；Nath等[11]等對碳化硅陶瓷進行了超聲振動輔助磨削實驗，分析了材料的去除機理；鄭書友等[12-13]對硬脆性材料超聲振動輔助磨削過程中的脆塑性轉變、切削力、亞表面損傷等進行了深入研究；張向慧等[14]對超聲振動輔助磨削的振動系統進行了研究，并通過有限元仿真驗證了設計的合理性。雖然已有部分文獻對超聲振動輔助磨削陶瓷和金屬合金材料的加工特性進行了分析，但關于牙科陶瓷材料，特別是完全燒結后氧化鋯陶瓷的超聲加工技術卻鮮有報道。

圖1 傳統氧化鋯陶瓷牙冠的制作工藝

本文將以該材料為研究對象，采用超聲振動輔助磨削和普通金剛石磨削兩種工藝進行孔和平面的加工實驗。從超聲振動輔助磨削的運動學特性、材料去除率、加工質量等方面進行深入研究，并與無超聲輔助下的普通金剛石磨削結果進行對比分析。

1 超聲振動輔助磨削的運動學特性分析

目前對超聲振動輔助磨削技術的研究大多集中在振動和工藝參數對實驗結果的影響，而對其運動學原理的分析相對較少。本節主要通過對超聲振動輔助磨削的運動學特性進行分析，為后續的實驗設計及數據分析提供更為科學、合理的依據。本節所研究的運動學特性均以金剛石刀具上的單顆磨粒為研究對象。超聲振動輔助磨削中主要包含三種運動方式，圍繞軸向的旋轉運動、沿著軸向的進給運動以及軸向的超聲振動。由于牙冠表面的特殊形貌，僅通過超聲振動輔助磨削孔加工難以實現，必須將超聲振動輔助磨削平面(曲面)與其相結合。文獻[8,15]均已給出了前者的運動學方程，并進行了深入研究。而超聲振動輔助磨削平面的運動學特性則更為復雜，主要是因為其進給方向和超聲振動的方向不一致。單顆磨粒的有效切削速度由沿著徑向的進給速度vf、刀具的旋轉速度vc以及超聲振動的速度vu三部分合成，如圖2所示。

圖2 超聲振動輔助磨削平面的運動特性及單顆磨粒的有效切削速度示意圖

(1)

圖3 超聲振動輔助磨削平面單顆磨粒的運動軌跡

(2)

將式(1)代入式(2)可得：

(3)

同時，對單顆磨粒位移S(t)進行求導可得其有效切削速度：

(4)

(5)

(6)

(7)

2 超聲振動輔助磨削實驗

2.1 實驗設計及參數設置

本次實驗內容為采用超聲振動輔助磨削和普通金剛石磨削完全燒結的氧化鋯陶瓷孔和平面。實驗均在德國DMG(ULTRASONIC20linear)超聲振動切削加工中心上完成。采用的金剛石刀具內徑為6.5 mm，外徑為8.0mm，冷卻液為乳化液。工件為完全燒結的氧化鋯陶瓷，由秦皇島愛迪特高技術陶瓷有限公司提供，機械性能如表1所示。加工孔和平面的工件尺寸分別為：20 mm×15 mm×14 mm，30 mm×15 mm×4 mm，實驗參數設置如表2所示。

表1 完全氧化鋯陶瓷的性能指標

表2 超聲振動輔助磨削實驗參數設置

2.2 實驗結果檢測及分析

2.2.1 主軸轉速對材料去除率的影響分析

材料的去除率決定了牙冠的加工效率。雖然采用超聲振動輔助磨削完全燒結的氧化鋯陶瓷避免了傳統工藝中的二次燒結，大幅度縮短了牙冠的制作周期，但其去除率仍是關注的焦點。以加工孔為例，對比分析兩種不同加工方式下的材料去除率，計算公式如下：

(8)

其中，r2為加工孔的外半徑，r1為內半徑，d為加工孔的深度，如圖4所示，t為加工時間。圖5為兩種加工方式下，主軸轉速對完全燒結氧化鋯陶瓷材料去除率的影響曲線。

圖4 加工孔的尺寸示意圖

圖5 主軸轉速對兩種加工方式下的材料去除率影響曲線

從中可以看出，超聲振動的輔助有利于提高完全燒結后氧化鋯陶瓷材料的去除率。采用普通金剛石磨削，其去除率隨主軸轉速的增大而增大。在超聲振動的輔助下，當轉速在2 000～5 000 r/min時去除率隨著主軸轉速的增大而增大，這與Li等[16]研究低轉速情況下陶瓷基復合材料去除率的實驗結果一致；當主軸轉速提至5 000～8 000 r/min時，材料的去除率則呈現遞減趨勢，且在8 000 r/mi時兩種加工方式下的材料去除率基本相等。這主要是由于主軸轉速增大到某一特定的值時，超聲振動輔助磨削過程中刀具和工件的接觸時間增大，當增大到與普通金剛石磨削基本相同時，兩者不存在分離現象，因此超聲輔助的作用明顯弱化，從而使得兩種加工方式的材料去除率較為接近。另外，無論是超聲振動輔助磨削還是普通金剛石磨削，主軸轉速對該材料的去除率影響不大。

2.2.2 主軸轉速對表面粗糙度影響分析

牙冠修復體屬復雜精密件，在完成加工后需植入人體口腔固定在損壞的殘牙基體上，因此對于其加工精度特別是表面粗糙度的要求比較高。本文采用中國生產的寶棱JB-5C粗糙度儀對超聲振動輔助磨削和普通金剛石磨削平面的表面輪廓平均算術偏差Ra進行精確測量。其中測量長度為10 mm，取樣長度為0.25，采樣速度為0.5 mm，段數為5L，傳感器選擇標準，觸針半徑為2 μm，桿長為17 mm。測量結果如表3所示，主軸轉速對兩種加工方式下的粗糙度影響曲線如圖6所示。

從圖6中可以看出，采用超聲振動輔助磨削后的工件表面質量明顯好于普通金剛石磨削。兩種加工方式下的工件表面粗糙度均隨著主軸轉速的增大而增大，這與Razfar等[17]開展AISI1020鋼的超聲振動輔助磨削實驗結果一致，但與Churi等[18]研究鈦合金的結果正好相反。另外，超聲振動輔助磨削過程中，在2 000～5 000 r/min時，工件表面粗糙度受主軸轉速影響明顯小于5 000～8 000 r/min，而通過改變普通金剛石磨削的主軸轉速發現工件表面粗糙度受其變化影響較小。

表3 兩種加工方式下工件表面粗糙度測量結果

圖6 主軸轉速對兩種加工方式下的粗糙度影響曲線

2.2.3 主軸轉速對邊緣碎裂影響分析

由于牙冠屬于復雜薄壁結構件且尺寸較小，特別是其頸緣處為了滿足臨床上與基底冠或殘牙的配合精度要求，均具有鋒利的邊緣。同時，牙冠在使用過程中會因為邊緣碎裂降低其強度從而導致失效。因此，出口邊緣碎裂是檢驗其加工質量的重要因素，必須通過相應的措施來減少出口邊緣碎裂對牙冠加工精度和質量的影響[19]。

對加工孔出口位置最大邊緣碎裂尺寸的測量采用的是KEYENCE超景深三維顯微系統(型號：VHX-600E)。圖7和圖8為主軸轉速在2 000 r/min和8 000 r/min時，放大50倍后得到的普通金剛石磨削和超聲振動輔助磨削完全燒結氧化鋯陶瓷的邊緣碎裂對比情況。圖9為主軸轉速對兩種加工方式所產生的最大邊緣碎裂寬度的影響規律。

圖7 轉速為2000 r/min時完全燒結氧化鋯陶瓷在兩種加工方式下的邊緣碎裂

圖8 轉速為8 000 r/min時完全燒結氧化鋯陶瓷在兩種加工方式下的邊緣碎裂

圖9 主軸轉速對兩種加工方式下的最大邊緣碎裂寬度影響曲線

根據測量結果可得，同等工況下超聲振動輔助磨削的邊緣碎裂程度較普通金剛石磨削有明顯改善。當主軸轉速為2 000 r/min時，采用普通金剛石磨削孔的出口邊緣有多處發生碎裂，且碎裂寬度最大，達到了739.63 μm，而當轉速達到8 000 r/min時碎裂情況有所好轉僅在頂端出現1-2處的缺損，但最大碎裂寬度無明顯變化。這主要是在低轉速情況下的切削力較大，導致在出口處產生多處碎裂，但由于受加工工藝和完全燒結氧化鋯陶瓷材料硬度的影響，其邊緣碎裂尺寸變化不大。超聲振動輔助磨削與之類似，但圖7(b)和圖8(b)的碎裂程度幾乎沒有發生變化。因此，就邊緣碎裂情況而言，普通金剛石磨削受主軸轉速影響遠大于超聲振動輔助磨削。同時，在超聲振動的輔助下，轉速為2 000 r/min時，陶瓷工件最大邊緣碎裂寬度為187.74μm；在8 000 r/min時碎裂尺寸達到最小，僅為96.22 μm。因此可認為，超聲振動的輔助使得完全燒結氧化鋯陶瓷的邊緣碎裂情況得到了很好的控制。另外，從圖9可得，在超聲振動輔助作用下，最大邊緣碎裂的寬度隨著轉速的增大而降低，并且在2 000～5 000 r/min范圍內比5 000～8 000 r/min范圍內的降幅更大。而在普通金剛石磨削情況下則有所不同，最大邊緣碎裂寬度在主軸轉速為2 000～5000 r/min范圍內隨著轉速的增大而減小，在5 000～8 000 r/min范圍內隨著轉速的增大而增大。

3 結 論

(1)超聲振動的輔助有利于提高完全燒結氧化鋯牙科材料的去除率，但受主軸轉速影響較小。

(2)在加工完全燒結氧化鋯牙科材料時，超聲振動的輔助有利于降低工件表面粗糙度，特別是在主軸轉速較低時效果明顯。

(3)超聲振動的輔助有利于抑制工件邊緣碎裂，大幅度降低其碎裂寬度。同時，隨著主軸轉速的增大，最大邊緣碎裂尺寸逐步減小。

另外，由于牙冠表面形貌較為復雜且多為薄壁件，因此，在后續的可行性研究中應考慮采用超聲振動輔助磨削復雜曲面的特性，并分析其亞表面損傷機理。

參 考 文 獻

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