Si3N4陶瓷旋轉超聲磨削加工中脆性域材料去除率研究

林 凱 李永學 王 剛 劉 紅 魏士亮

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Si3N4陶瓷旋轉超聲磨削加工中脆性域材料去除率研究

林 凱1李永學1王 剛1劉 紅2魏士亮3

（1. 北京星航機電設備有限公司，北京 100074；2. 航天科工哈爾濱風華有限公司，哈爾濱 150001；3. 哈爾濱理工大學高效切削及刀具國家地方聯合工程實驗室，哈爾濱 150080）

針對旋轉超聲磨削加工中脆性域材料去除，將磨粒簡化為正四棱錐壓頭形狀建立了加工過程中材料去除率模型，綜合考慮了刀具旋轉超聲振動運動、刀具進給運動、刀具側面加工和刀具底端面壓痕斷裂去除等因素。通過實驗證明脆性域加工材料去除率理論計算值與實驗結果值誤差小于8%，為進一步研究材料去除率影響規律奠定了理論基礎。

旋轉超聲磨削加工；材料去除率；脆性域；Si3N4陶瓷

1 引言

Si3N4陶瓷不僅具有優良的物理性能，還具有良好的化學性能，如高強度、高硬度、耐磨損、低傳熱系數、抗高溫、化學腐蝕及氧化等[1，2]。隨著Si3N4陶瓷材料制備工藝和材料性能的提高，其優良的材料性能和廣泛應用前景引起許多國家重視，并投入大量財力進行研究，如美國、日本開展的陶瓷燃氣渦輪計劃中，對Si3N4陶瓷材料復合加工工藝、復雜曲面加工等技術進行了研究，并制造出渦輪葉片、襯套、點火器等零部件[2，3]。

Si3N4陶瓷為典型硬脆材料，其硬度大于80HRC，但是斷裂韌性值較低[4]。傳統加工方法主要為磨削，其只能加工結構簡單零部件，而且加工效率低[4～6]。1960年，超聲振動加工技術出現，并演化成旋轉超聲磨削加工技術，在硬脆材料加工領域開始應用[2，7]。旋轉超聲磨削加工硬脆材料不僅提高了加工精度和加工表面質量，而且使加工效率也提高3～5倍[8，9]。經過50多年的發展，旋轉超聲磨削加工技術取得了巨大進步，并逐漸成為硬脆材料的主要加工工藝手段[10，11]。

材料去除率是評價加工的一個重要參數，也是表征旋轉超聲磨削加工效率的一個物理量，國內外許多學者對材料去除率進行了研究，并對加工工藝參數對材料去除率影響進行了分析。Pei Zhijian等[12，13]假設在超聲加工過程中材料脆性斷裂去除占主導，將金剛石顆粒簡化為圓形且大小相同，基于赫茲理論推導出在力作用下金剛石顆粒嵌入材料深度，以單個金剛石顆粒材料去除建立了加工過程中材料去除率數學模型來預測材料去除率。為了驗證假設，在模型中設立了一個比例系數（脆性斷裂去除體積與壓痕體積的比），并通過各種加工工藝參數組合實驗，驗證了比例系數為常數。Wiercigroch M等[14]通過建立超聲振動鉆削加工過程中材料去除率模型分析了其下降的現象[15]。Ya Gang等[16]將磨粒形狀簡化為球形，對刀具端面磨粒旋轉超聲運動軌跡進行了分析，并基于斷裂理論分析了材料脆性斷裂中裂紋擴展，建立了旋轉超聲磨削加工過程中脆性域材料去除率模型[17]。馮冬菊[18，19]認為在旋轉超聲磨削加工過程中材料去除方式包括沖擊、磨蝕和超聲空化作用，將磨粒簡化為尖壓頭，基于壓痕斷裂理論，同時結合刀具旋轉運動，建立了材料去除率模型。

通過分析以上材料去除率模型，發現部分模型中顆粒簡化與實際金剛石顆粒差距較大，且基于赫茲理論，對壓痕產生的裂紋斷裂去除未考慮；部分模型對加工過程簡化過于簡單，未考慮振動加工過程中的進給運動。旋轉超聲磨削加工既可實現塑性域加工，又可實現脆性域加工，而塑性域加工機理與脆性域加工機理不同，因此對材料去除率模型應分別分析。同時，重點研究了刀具轉速、進給速度、振動頻率、振幅等參數對材料去除率的影響，但是刀具參數對材料去除率影響研究很少。本文將針對旋轉超聲磨削加工中脆性域材料去除過程，將磨粒簡化為尖壓頭形狀建立材料去除率模型，為研究材料去除率影響規律奠定基礎。

2 脆性域材料去除率數學模型

旋轉超聲磨削加工過程中在刀具旋轉和超聲振動作用下，刀具端面上磨粒與工件表面產生法向壓痕和切向劃痕作用。超聲振動振幅一般較小，只有5～15μm，但是脆性域加工過程刀具切削厚度大于20μm，如圖1所示。

圖1 脆性域加工刀具與工件接觸關系

脆性域加工材料去除模式主要為普通磨削去除和超聲振動去除。總的材料去除率為兩種材料去除率共同作用結果[2]。假設磨粒形狀為正四棱錐壓頭形狀，磨粒在刀具端面分布均勻，且磨粒露出刀具端面高度大于超聲振動振幅。在加工過程中由于切削厚度大于超聲振動振幅，可以通過加工過程中運動學關系得到刀具端面上單個磨粒運動的軌跡如圖2所示。其中在超聲振動作用下磨粒嵌入到材料表面距離設為，在一個振動周期內磨粒運動長度為。

圖2 刀具端面上磨粒運動軌跡

刀具端面不同位置磨粒運動速度不同，在一個振動周期內磨粒運動長度也不同。如圖3所示，刀具端面不同位置磨粒在一個振動周期內運動長度可表示為：

式中：為刀具振動頻率，Hz；為磨粒離刀具軸心半徑，mm；為刀具轉速，r/min；為刀具進給速度，mm/min。

超聲振動材料去除主要是由于磨粒下方相鄰側向裂紋相遇從而實現，在一時間內刀具端面單個磨粒單位寬度內超聲振動材料去除體積可表示為：

根據彈塑性接觸理論和壓痕接觸理論可以得出磨粒嵌入到材料表面深度為[12，21]：

根據式（5），可以得出：

設加工過程中刀具端面全部與材料表面接觸且參與加工過程，即加工寬度為21，旋轉超聲脆性域磨削加工材料去除率由兩種材料去除率共同作用，因此材料去除率公式可表示為：

3 脆性域材料去除率模型驗證

3.1 實驗設計

本實驗采用的工件材料為致密度85%Si3N4陶瓷，其材料參數、材料特性如表1所示，材料尺寸為120mm×55mm×35mm。對于致密度85%Si3N4陶瓷加工，其臨界切深為6.4μm[15]。為實現脆性域加工，其超聲振動振幅應大于6.4μm。本實驗所采用的機床為DMG Ultrasonic 20 line，選用的超聲振動刀具為DMG SAUER公司生產的外徑為10mm青銅基（86%Cu、14%Sn）刀具（粒度D126，濃度100，內徑8mm），刀具及其端面如圖4所示。刀具振動頻率為27500Hz，刀具超聲振幅為8μm。

表1 Si3N4陶瓷材料性能參數

圖4 刀具及其端面觀察

材料去除率實驗值通過單位時間內加工去除材料體積表示。在不同工藝參數下，采用外徑為10mm的同一超聲振動刀具進行旋轉超聲脆性域磨削加工，通過測量加工時間求出材料去除率。

本實驗方案采用正交實驗法，因素位級見表2。

表2 脆性域加工參數因素位級表

根據表2和正交實驗原理，實驗計劃如表3所示。每次實驗要求加工面積為55mm×30mm，加工過程如圖5所示。記錄每次加工時間，加工完成后利用機床三維探頭測量實際切深，材料去除體積為加工面積×實際切削深度。為了減少誤差，每組實驗做三次，加工時間取其平均值。

表3 實驗計劃表

圖5 加工過程

3.2 實驗結果及其分析

實驗結果如表4所示，且加工表面粗糙度值在0.3954～0.7161μm之間，可滿足加工要求。

表4 實驗結果表

圖6 因素與材料去除率同位級和關系

表5 和計算值 r/min

表6 材料去除率計算值和實驗值 mm3/s

通過計算值與實驗值比較，誤差率低于8%，模型在該誤差范圍內可以滿足工程應用中分析參數對塑性域材料去除率的影響規律。

4 結束語

針對現有硬脆材料旋轉超聲磨削加工中脆性域材料去除率模型中磨粒簡化與實際磨粒形狀差距較大、未考慮刀具側面加工和刀具進給運動、未考慮壓痕斷裂等缺點，將磨粒簡化為正四棱錐壓頭形狀，在理論公式推導基礎上，結合刀具進給運動和刀具旋轉超聲振動運動，全面考慮刀具端面加工和刀具側面加工，建立了脆性域材料去除率數學模型；以Si3N4陶瓷為對象，通過正交試驗，得出脆性域加工材料去除率理論計算值與實驗結果值誤差小于8%，可滿足工程應用。

1 吳慶文，胡豐，謝志鵬. 高性能氮化硅陶瓷的制備與應用新進展[J].陶瓷學報，2018，39(1)：13～19

2 魏士亮. Si3N4陶瓷超聲磨削加工過程技術研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學，2011

3 王永壽. 陶瓷基復合材料在航空發動機上應用研究[J]. 飛航導彈，2002(10)：55～59

4 曹鳳國，張勤儉. 超聲加工技術的研究現狀及其發展[J]. 電加工與磨具，2005(21)：25～31

5 荊君濤. 工程陶瓷旋轉超聲磨削加工表面完整性評價技術研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學，2013：20～21

6 Wang Zhiyong, Rajurkar K P. Dynamic analysis of the ultrasonic machining process[J]. Journal of Manufacturing Science and Engineering, 1996,118(3):376～381

7 Subramanian K, Ramanath S, Matsuda Y O. Precision production grinding of fine ceramics[J]. Industrial Diamond Review, 1990,50(540): 162～254

8 Li Zhichao, Cai Liangwu, Pei Zhijian, et al. Edge-chipping reduction in rotary ultrasonic machining of ceramics: finite element analysis and experimental verification[J]. International Journal of Machine Tools & Manufacture, 2006, 46(12～13):1469～1477

9 魏士亮，趙鴻，薛開，等. 工程陶瓷脆性域旋轉超聲磨削加工切削力研究[J]. 哈爾濱工程大學學報，2014，35(8)：976～981

10 田欣利，徐燕申，林彬，等. 陶瓷精密加工表面完整性的研究[J]. 中國機械工程，1998，9(6)：54～66

11 劉運鳳，趙鴻，荊君濤，等. 半球陀螺諧振子超聲旋轉磨削加工關鍵技術研究[J]. 航空精密制造技術，2011，(6)：1～4

12 Pei Zhijian, Ferreira P M. Ferreira. Modeling of ductile-mode material removal in rotary ultrasonic machining[J]. International Journal of Machine Tools & Manufacture, 1998,38(10～11): 1399～1418

13 Pei Zhijian, Prabhak D, Ferreira P M, et al. A mechanistic approach to the prediction of material removal rates in rotary ultrasonic machining[J]. American Society of Mechanical Engineering PED, 1993,64:771erreira784

14 Wiercigroch M, Neilson R D, Plarer M A. Material removal rate prediction for ultrasonic drilling of hard materials using an impact oscillator approach[J]. Physics Letters A, 1999,259(2):91～96

15 肖令權. 異形光學元件加工技術研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學，2009

16 Ya Gang, Qin Huawei, Yang Shichun, et al. Analysis of the rotary ultrasonic machining mechanism[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2002, 129(1～3):182～185

17 究向鑫. 超聲振動輔助鋸切氧化鋁陶瓷機理的研究[D]. 廈門：華僑大學，2014

18 馮冬菊. 超聲波銑削加工原理及相關技術研究[D]. 大連：大連理工大學，2006

19 劉凡. 旋轉超聲磨削鈦合金的磨削力與工具磨損研究[D]. 成都：西南交通大學，2017

20 Evans A G, Wilshaw T R. Quasi-static solid particle damage in brittle solids-Ι. Observation ananlysis and implication[J]. Acta Metallurgica, 1976,24(10):939～956

21 Hu Ping, Zhang Jianmei, Pei Zhijian, et al. Modeling of Material Removal Rate in Rotary Ultrasonic Machining: Design Experiments[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2002, 129(1～3): 339～344

Investigation on Rotary Ultrasonic Grinding Machining Material Removal Rate of Si3N4Ceramics in Brittle-domain

Lin Kai1Li Yongxue1Wang Gang1Liu Hong2Wei Shiliang3

(1. Beijing Xinghang Electro-Mechanical Equipment Co., Ltd., Beijing 100074；2. Aerospace Science & Industry Harbin Fenghua Co., Ltd., Harbin 154001；3. The Key Lab of National and Local United Engineering for “High-Efficiency Cutting & Tools”, Harbin University of Science and Technology, Harbin 150080)

For the brittle-domain rotating ultrasonic grinding machining, the abrasive particles are simplified into the shape of a regular quadrangular pyramid indenter to establish the material removal rate model, taking into account the tool rotary ultrasonic vibration movement, the tool feed motion, the tool side machining and the tool end face indentation fracture removal. It has been proved by experiments that the error between the theoretical calculation value of the material removal rate in the brittle domain and the experimental result is less than 8%, which lays foundation for further study on the influence law of material removal rate.

rotary ultrasonic grinding machining；material removal rate；brittle-domain；Si3N4ceramics

2018-10-01

航天裝備預研聯合基金（6141B070602）。

林凱（1967），工程師，機械設計制造及其自動化專業；研究方向：材料加工工藝。