燒結后生物陶瓷預熱切削性能的分析

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(1.江蘇食品藥品職業技術學院，江蘇 淮安 223003；2.淮陰工學院，江蘇 淮安 223003)

0 引言

陶瓷材料隨著科技的不斷發展而應用于眾多領域，如電子、機械、生物醫學以及航空航天等。生物陶瓷因其具有高硬度、高強度、耐腐蝕以及隔熱等諸多優良性能已經成為一種極其重要的生物醫用材料，燒結后氧化鋯生物陶瓷的高硬高脆等特性給切削加工帶來了一定的困難，如刀具磨損比較嚴重，切削加工時容易發生脆性斷裂破壞導致裂紋和凹坑等缺陷。預熱切削為加工氧化鋯陶瓷等脆硬材料提供了一種有效的方法。本文選用不同預熱溫度研究了氧化鋯陶瓷材料在預熱情況下的銑削加工，從而實現了生物陶瓷的增塑性切削目的。因此，對生物陶瓷的銑削加工進行實驗研究對于其應用領域的拓展具有極其重要的指導意義。

1 預熱的實驗方案

1.1 預熱切削的實驗系統

氧化鋯生物陶瓷預熱切削的實驗系統，主要由銑削系統、加熱系統以及測量系統三個部分組成。

銑削系統主要由金剛石刀具與UCP 800五軸加工中心構成，其主要用于材料的銑削加工；加熱系統由溫度傳感器、多功能加熱爐以及電源構成，利用電能轉換成熱能對工件進行加熱，為降低溫度對測力儀的影響，分別在加熱爐底座和固定基體之間加裝了隔熱層；測量系統主要包括切削力的測量、表面質量的測量以及刀具磨損的測量。基于實驗的要求以及現有的實驗條件，搭建了氧化鋯陶瓷預熱切削實驗裝置。

圖1 燒結后的氧化鋯生物陶瓷

1.2 預熱切削的實驗材料

如圖1所示，實驗材料選用Sirona公司燒結后的氧化鋯(ZrO2)陶瓷，其材料規格為50 mm×25 mm×15 mm。

1.3 預熱切削的實驗方法

在切削燒結后的氧化鋯陶瓷過程中，為了研究不同預熱溫度下的切削性能，利用溫度傳感器來控制爐內溫度，使得陶瓷切削過程中的溫度處于恒定的狀態，選擇的溫度分別為20℃、100℃、200℃、300℃以及400℃，不同預熱溫度下的銑削參數相同且均采用順銑方式，切削速度vc選擇為62.8 m/min，每齒進給量fz選擇為0.02 mm，軸向切深ap選擇為3 mm，徑向切寬ae選擇為0.06 mm。

2 燒結后生物陶瓷預熱切削性能的分析

2.1 切削力的分析

圖2是燒結后氧化鋯陶瓷在不同預熱溫度下的切削力變化趨勢圖。從圖中可以看出，氧化鋯陶瓷材料處于常溫(20℃)狀態下的切削力明顯大于預熱狀態下的切削力。進行陶瓷材料的預熱切削時，降低了金剛石切削刀具的摩擦系數，變形系數得以減小，從而降低了切削力。在陶瓷材料銑削的初始階段，因為PCD切削刀具的刀刃比較鋒利，刀具則相對比較容易切入高硬高脆的氧化鋯生物陶瓷。因而不同預熱溫度下的切削力差值并不是太大。然而隨著切削時間的增加，切削刀具后刀面的磨損變得比較嚴重，刀刃也開始磨鈍，在切削過程中刀具和材料的摩擦和擠壓加劇，此時不同預熱溫度下的切削力差值變得較大，常溫(20℃)條件下的切削力增加趨勢比較顯著。然而當氧化鋯陶瓷處于預熱狀態時，切削力的增加趨勢變得較為平緩，這是由于預熱使得氧化鋯陶瓷材料得以軟化，刀刃比較容易切入陶瓷材料，降低了切削刀具與陶瓷工件之間的脆性沖擊，進而減弱了切削刀具的磨損。此外，預熱情況下氧化鋯陶瓷材料的去除機理開始產生了變化，不只是以脆性斷裂的方式去除材料，也開始產生了塑性流動方式的材料去除。通常情況下，預熱的溫度愈高，氧化鋯陶瓷材料的強度和硬度降低的幅度愈大，這樣就越有利于材料的塑性變形，但是受到刀具的限制，由于PCD刀具的剛性和耐熱性差，溫度愈高，刀具的磨損愈快，則使用壽命也隨之縮短。因而400℃條件下的切削力要高于其它預熱溫度下的切削力。PCD晶粒石墨化臨界溫度約為550℃，如果切削溫度超過其石墨化臨界溫度，刀具則會發生失效，進而加劇刀具的磨損，增大切削力，使得氧化鋯陶瓷的表面加工質量得以降低。因此在選用PCD刀具預熱銑削燒結后氧化鋯陶瓷時必須使切削溫度低于PCD刀具失效的臨界溫度。

圖2 不同溫度下的切削力

2.2 切削刀具的磨損分析

圖3為預熱溫度是100℃時切削刀具后刀面不同磨損時期的形貌。由圖可知，切削刀具的磨損帶由刀刃向后刀面進行逐漸的擴散，然而擴散的程度并不均勻。刀具的磨損過程大概可以分為三個階段，即初期磨損、中期磨損以及后期磨損。在刀具的初期磨損階段，如圖3(b)所示，磨損帶靠近刀刃，在此處刀具強度比較弱，但是磨損帶比較小，而且在整個刀刃上磨損帶相對比較均勻；當刀具的磨損經歷了初期的磨損階段之后，在陶瓷的切削過程中，陶瓷顆粒對刀具的后刀面不斷的進行刻劃、摩擦以及碰撞，其便開始進入了刀具磨損的中期階段，如圖3(c)所示，切削刀具的后刀面上形成了的類似于水滴狀的不均勻磨損帶，磨損不均勻的主要原因是刀具的刃磨缺陷在刀刃和后刀面上分布不均勻，這些刃磨的缺陷處都是應力集中的區域；進入刀具后期磨損階段之后，如圖3(d)所示，切削刀具后刀面上的水滴狀不均勻磨損帶便開始連成一片，刀具便開始產生嚴重的破損。

圖3 不同磨損時期的切削刀具后刀面形貌

圖4 刀具后刀面磨損量與切削時間的關系曲線

圖4為不同預熱溫度下切削刀具后刀面磨損量隨著切削時間變化的關系曲線。從圖中可以看出，當燒結后的氧化鋯陶瓷處于不同的預熱溫度下，PCD刀具后刀面的磨損與理論刀具的磨損規律基本吻合。在銑削燒結后氧化鋯陶瓷的加工過程中，隨著切削時間的不斷增加，切削刀具的磨損量呈現逐漸增大的變化趨勢。分析其原因為：當刀具的磨損達到磨鈍標準后，若繼續進行銑削加工會導致切削溫度和切削力的急劇增加，這樣便會降低工件的加工質量，使得工件已加工表面的粗糙度得以增加，嚴重情況下還會產生振動使得陶瓷的銑削加工不能正常進行。當PCD刀具的后刀面發生比較小的磨損時，切削刀具的刀刃比較鋒利，不同預熱溫度狀態下的后刀面的磨損量差值并不是很大，然而隨著切削時間的增加，切削刀具的磨損差值變大。在切削陶瓷材料的后期，常溫狀態下的后刀面磨損量增長速度最快，刀具的磨損程度也最嚴重。當銑削陶瓷材料40 min之后，PCD刀具后刀面在300℃下的磨損量是常溫狀態的一半。此外，實驗結果表明：300℃狀態下的陶瓷材料切削過程比較穩定，這可以有效的提高切削刀具的壽命，從而保障陶瓷的加工質量。

圖5 切削力與刀具后刀面磨損量的關系曲線

從圖5中可以看出，隨著切削刀具后刀面磨損量的不斷增加，切削力呈現出逐漸增大的變化趨勢。其中徑向力和切向力的增長幅度并不相同，徑向力隨著刀具后刀面磨損量的增加，其增長幅度比較明顯，然而切向力的增長幅度并不大。分析其原因為：刀具在銑削燒結后氧化鋯陶瓷時，刀具刀刃對工件材料表面的擠壓產生徑向力，其主要與后刀面的磨損有關。當切削刀具的后刀面發生磨損時，刀具的實際后角逐漸減小，增加了切削刀具與材料表面之間的擠壓作用，從而使得徑向力的增長比較迅速[1-3]；而切削刀具前刀面產生的磨損是影響切向力的重要因素，在進行陶瓷硬脆材料的切削加工時，切屑呈崩碎狀，因而切削刀具的前刀面磨損程度比較小，從而使得切向力的增加幅度不明顯。

2.3 表面粗糙度的分析

圖6 不同預熱溫度下的表面粗糙度變化

為了能夠更加直觀地對比分析不同預熱溫度下的燒結后氧化鋯生物陶瓷已加工表面粗糙度的變化規律，利用切削實驗得出如圖6所示的曲線關系。由圖6中可知，隨著銑削時間的不斷增加，工件的表面粗糙度整體上呈現出逐漸增大的變化趨勢。在銑削的后期，常溫(20℃)和400℃環境下的表面粗糙度Ra值明顯大于其它溫度下的Ra值。銑削的初始階段，在第5 min之后，常溫下Ra值要大于加熱狀態下Ra值，這主要是由于材料的去除機理不同而導致的，常溫狀態下氧化鋯陶瓷材料以脆性斷裂方式被去除，表面形成凸凹不平鱗狀脆性斷裂面，而加熱狀態下氧化鋯陶瓷材料以塑性流動的方式被去除，表面光滑平整。隨切削時間的增長，PCD刀具不斷磨損，材料的去除機理也發生變化，由塑性變形向脆性斷裂過渡，但是100℃、200℃和300℃環境下的Ra值依然要小于常溫和400℃下的Ra值，增加的幅度并不大。然而并不是溫度愈高，氧化鋯陶瓷材料愈容易以塑性變形的方式被去除，同時也需要考慮切削刀具的耐熱性以及耐磨損性。刀具的磨損對氧化鋯陶瓷材料以何種方式被去除也會產生重要的影響。影響氧化鋯陶瓷表面粗糙度的因素是多樣性的，任何單一指標都無法準確而又比較全面的反映它們之間的影響關系。

3 小結

本文對不同預熱溫度下燒結后的氧化鋯生物陶瓷進行銑削加工的實驗研究，研究了燒結后氧化鋯生物陶瓷的切削性能，主要包括切削力的分析、切削刀具磨損的分析以及表面粗糙度的分析，得出以下主要結論：

1)氧化鋯生物陶瓷處于常溫(20℃)狀態下的切削力要明顯高于預熱狀態下的切削力。預熱情況下氧化鋯陶瓷材料的去除機理開始發生變化，它并不只是脆性斷裂方式去除材料，而且開始產生塑性流動的方式進行材料去除，從而實現氧化鋯生物陶瓷的增塑性切削，并且陶瓷材料獲得了比較好的表面加工質量。在選用PCD刀具預熱銑削燒結后氧化鋯陶瓷時必須使切削溫度低于PCD刀具失效的臨界溫度。

2)當燒結后的氧化鋯陶瓷處于不同的預熱溫度下，PCD刀具后刀面的磨損與理論刀具的磨損規律基本吻合。在銑削燒結后氧化鋯陶瓷的加工過程中，切削刀具的磨損量隨著切削時間的不斷增加而呈現逐漸增大的變化趨勢。當氧化鋯陶瓷切削40 min之后，PCD刀具后刀面在300℃下的磨損量是常溫狀態的一半。此外，實驗結果表明：300℃條件下的銑削過程比較穩定，這可以有效提高切削刀具的壽命。

3)隨著銑削時間的增加，表面粗糙度整體上呈現逐漸增加的變化趨勢，在銑削的后期，常溫(20℃)和400℃環境下的表面粗糙度Ra值明顯大于其它溫度下的Ra值。隨著切削深度的不斷增大，樣件的表面粗糙度則呈現出不斷增加的變化趨勢，但是增長的幅度不是很大。

[1] 秦真江，孫全平，吳海兵，等.牙科氧化鋯陶瓷增塑性銑削機理研究[J].制造技術與機床，2014 (12)：157-161.

[2] 鄧建新，艾興，馮益華.陶瓷刀具切削加工時的磨損和潤滑及其與加工對象的匹配研究[J].機械工程學報，2002，38(4)：40-45.

[3] 薛建勛，孫全平.氧化鋯陶瓷切削加工有限元仿真分析[J].中國陶瓷，2012，48(10)：28-29.