工程陶瓷預壓應(yīng)力下超聲振動輔助劃痕實驗研究

張高峰，王志剛，曾億江

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工程陶瓷預壓應(yīng)力下超聲振動輔助劃痕實驗研究

張高峰a，王志剛b，曾億江b

（湘潭大學 a.工程訓練中心 b.機械工程學院，湖南 湘潭 411105）

結(jié)合超聲振動加工方法，探究工程陶瓷預壓應(yīng)力加工過程的工件表面損傷特性。建立預壓應(yīng)力下工程陶瓷超聲振動輔助加工過程的工程學模型，結(jié)合Al2O3陶瓷劃痕過程的離散元仿真結(jié)果和實驗結(jié)果進行分析，采用掃描電鏡對加工表面進行觀察，使用三向動態(tài)壓電測力儀測量劃痕力。預壓應(yīng)力下超聲振動輔助劃痕過程能夠去除溝槽邊緣處的材料堆積，并且劃痕溝槽邊緣破碎呈現(xiàn)周期性。當預壓應(yīng)力為200 MPa、理論劃痕深度為10 μm時，普通劃痕深度為7.58 μm，寬度107.5 μm，超聲振動輔助劃痕深度為8.55 μm，寬度為143.5 μm。結(jié)合仿真結(jié)果，超聲振動輔助劃痕過程可減小劃痕溝槽的徑向裂紋數(shù)量，增大徑向裂紋深度。同時，兩種劃痕過程動態(tài)切向力出現(xiàn)明顯差異，超聲振動輔助劃痕過程動態(tài)切向力較小，變化相對平穩(wěn)。超聲振動輔助加工過程可以減小工程陶瓷預壓應(yīng)力加工過程的切削力，提高材料加工效率。

預壓應(yīng)力；超聲振動；Al2O3陶瓷；劃痕；切向力；離散元

工程陶瓷因其自身優(yōu)異的物理、化學性能，在現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用日益廣泛[1-2]。同時，受限于自身的性能特點，磨削加工成為其主要的加工方法，但傳統(tǒng)磨削加工方法易導致陶瓷材料產(chǎn)生加工損傷，諸如表面/亞表面損傷、殘余應(yīng)力等，進而影響材料的表面性能，最終影響部件的整體性能[3-5]。因而，合理地應(yīng)用加工方法成為制約陶瓷材料加工效率的關(guān)鍵。

在工程陶瓷磨削過程中，合理地優(yōu)化磨削參數(shù)可降低磨削損傷[6]，但其作用程度具有一定的局限性，從而使一些新型的加工方法得以發(fā)展。預應(yīng)力加工可以改變材料的內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)，進而降低材料的加工損傷。施加預應(yīng)力后，材料的去除方式會發(fā)生改變，具有由脆性斷裂向塑性變形轉(zhuǎn)變的趨勢[7]。Masahiko Yoshino等[8-9]進行了硬脆材料的高靜水壓切削研究，靜水壓力可以有效抑制加工表面的損傷。同時，課題組譚援強等[10-11]前期研究了SiC、Al2O3陶瓷預壓應(yīng)力劃痕實驗過程，得出預壓應(yīng)力的施加可以抑制陶瓷表面的加工損傷。但是，因為預壓應(yīng)力的施加，加工過程的切削力將增大，會導致材料的移除率降低，進而影響加工效率。

超聲振動加工實現(xiàn)了高頻振動信號和機械振動間的轉(zhuǎn)換，該方法可有效增大材料的移除率，同時減小切削力，但是會增大劃痕溝槽表面的殘余應(yīng)力[12]。G. Spur[13]對Si3N4和Al2O3陶瓷進行了磨削試驗，實驗結(jié)果表明：磨削過程中，磨削力減小，材料移除率增大，同時，工件表面粗糙度會變大。Y. Wu等[14]研究了SiC陶瓷的超聲振動劃痕過程，并對材料移除機理進行了分析，研究得出：超聲振動劃痕寬度大于普通劃痕，材料的去除過程受到刀尖的切削和沖擊作用影響。

基于以上研究，本文提出一種工程陶瓷預壓應(yīng)力條件下的超聲振動輔助加工方法，研究預壓應(yīng)力條件下工程陶瓷普通劃痕過程和超聲振動輔助劃痕過程，建立了相應(yīng)的力學模型，同時結(jié)合Al2O3陶瓷劃痕過程的離散元仿真及實驗，揭示陶瓷材料在預壓應(yīng)力條件下超聲振動輔助加工損傷機理。

1 運動過程分析

1.1 刀具運動分析

圖1 預壓應(yīng)力超聲振動輔助劃痕過程刀具軌跡

在本研究中，刀具徑向振動與工件進給方向垂直，其運動方程式如式（1）所示：

式中：0為初始相位角。

1.2 刀具的接觸長度分析

在超聲振動輔助劃痕過程中，刀具產(chǎn)生高頻振動，軌跡為一個正弦函數(shù)，結(jié)合方程（1），刀具的軌跡可用式（2）表示：

所以刀具與工件的接觸長度如式（3）所示：

式中：g為刀具的有效切削時間，0取0。由式（3）可以得出，相較于普通劃痕過程，超聲振動輔助劃痕過程刀具具有更大的切削長度。

1.3 切削力分析

1.3.1 預壓應(yīng)力的作用分析

依據(jù)壓痕斷裂理論、Niihara[15]提出的陶瓷斷裂公式及Chaudhri[16-17]Vichers壓痕應(yīng)力場理論，可以得出預壓應(yīng)力條件下的壓痕載荷公式，如式（4）所示。

1.3.2 預壓應(yīng)力和超聲振動共同作用分析

從圖1可以看出，在劃痕過程中，刀具只有部分參與切削加工，因此刀具在實際切削過程中的法向載荷n為[18]：

圖2 刀具的有效切削時間

則刀具-工件之間的沖量可以近似表示為[19-20]：

其中，()為瞬時法向力，n為最大法向力。此外，沖量可表示為：

由式(4)—(8)得出預壓應(yīng)力條件下超聲振動輔助劃痕過程法向力與劃痕深度的關(guān)系，如式（9）所示。

2 實驗步驟

2.1 實驗材料

本文采用Al2O3陶瓷（通過等靜壓燒結(jié)方法制得）作為實驗材料，分別進行了預壓應(yīng)力條件下普通劃痕實驗和超聲振動輔助劃痕實驗，試件的規(guī)格均為10 mm×10 mm×10 mm。Al2O3陶瓷材料的主要物理性能參數(shù)，如表1所示。

表1 Al2O3陶瓷的物理性能參數(shù)

Tab.1 Physical property parameters of Al2O3 ceramic

2.2 實驗材料預處理

進行實驗前，需要對材料進行預處理，以便后期實驗的進行和實驗結(jié)果的表征：

（1）實驗工件的半精磨和精磨。采用高精度平面磨床MGK7120X60/1（杭州，浙江）對實驗工件進行半精磨和精磨，磨削深度分別為5、1 μm。

（2）實驗工件表面拋光。經(jīng)過磨削后的工件表面需要在Napopoli-500（杭州，浙江）拋光機上進行拋光，排除磨削損傷對后期結(jié)果的影響。研磨膏采用金剛石研磨膏，晶粒度為6.5、2、0.5 μm。

（3）實驗工件的清洗。對拋光后的工件采用無水乙醇超聲清洗30 min。

2.3 實驗方案

在本研究中，探究了Al2O3陶瓷在預壓應(yīng)力條件下普通劃痕以及超聲振動輔助劃痕過程對工程陶瓷表面損傷的影響，主要分為兩部分：（1）預壓應(yīng)力條件下普通劃痕實驗，用于探究預壓應(yīng)力在劃痕過程中對工件表面損傷的影響，實驗參數(shù)如表2所示。（2）預壓應(yīng)力條件下超聲振動輔助劃痕實驗，用于探究預壓應(yīng)力條件下超聲振動在工程陶瓷劃痕過程中，對工件表面損傷的影響，實驗參數(shù)如表2所示，實驗裝置采用自建超聲振動實驗平臺，如圖3所示。

表2 劃痕實驗參數(shù)

Tab.2 Parameters of scratching experiment

圖3 預應(yīng)力超聲振動劃痕實驗裝置

在進行實驗之前，對兩種劃痕過程分別進行離散元仿真分析。預壓應(yīng)力通過旋轉(zhuǎn)高強度螺栓推動V型塊，夾緊工件的方式施加。根據(jù)所施加的外力強度不同，工件內(nèi)部產(chǎn)生不同大小的預壓應(yīng)力。同時，壓力傳感器接收信號后，通過放大器對信號放大，在顯示裝置上實時顯示預壓應(yīng)力值。劃痕實驗過程中，刀具采用金剛石壓頭，如圖4所示。室溫環(huán)境進行實驗，每組實驗參數(shù)下進行3次重復實驗，消除偶然因素對實驗結(jié)果的影響。劃痕后的工件表面，用無水乙醇超聲波清洗30 min后，進行表面形貌表征，設(shè)備為JSM-6360（JEOL，日本）。

圖4 金剛石壓頭形貌

3 結(jié)果與討論

3.1 劃痕表面形貌

Al2O3陶瓷進行了兩種劃痕實驗，并對實驗后的表面形貌進行觀察。圖5顯示了預壓應(yīng)力值為200 MPa時，兩種劃痕過程所獲得的表面形貌和壓頭劃出位置截面形貌。圖5a為普通劃痕溝槽的表面形貌和截面形貌，在劃痕過程中，溝槽邊緣輪廓完整度不好，劃痕邊緣破碎不均勻；從截面形貌可以看出，壓頭劃出位置因為徑向裂紋作用，存在整塊材料崩碎現(xiàn)象。相比之下，圖5b顯示了超聲振動輔助劃痕溝槽的表面形貌和截面形貌，劃痕溝槽邊緣破碎情況出現(xiàn)周期性變化，劃痕深度增大；在截面形貌中，存在明顯的徑向裂紋并且深度較大。在兩種劃痕過程中，壓頭劃出工件的端面處都出現(xiàn)了材料破碎現(xiàn)象。普通劃痕過程端面材料崩碎主要受到徑向裂紋擴展影響，超聲振動輔助劃痕過程端面材料崩碎主要受到橫向裂紋擴展影響。形成以上現(xiàn)象的原因在于，劃痕過程中晶粒受擠壓后產(chǎn)生裂紋，裂紋相互擴展貫通后，導致劃痕表面出現(xiàn)破碎。超聲振動過程會加劇橫向裂紋的產(chǎn)生，但可以抑制徑向裂紋的數(shù)量[21]。但是由于刀具的劇烈振動，徑向裂紋深度增大。同時超聲振動過程具有周期性，從而使劃痕過程產(chǎn)生周期性邊緣破碎。

Al2O3陶瓷在不同劃痕過程的離散元仿真結(jié)果如圖6所示。在普通劃痕過程中，壓頭與工件間具有強烈的擠壓作用，并隨著該過程的進行，在溝槽底部出現(xiàn)了徑向裂紋，如圖6a所示。相對而言，在超聲振動輔助劃痕過程中，徑向裂紋數(shù)量減少但最大深度增大，如圖6b所示。這主要是由于在超聲振動輔助劃痕過程，刀具切削深度更大，并且出現(xiàn)周期性變化，造成工件-刀具間的周期性沖擊，從而產(chǎn)生更深的徑向裂紋，但裂紋數(shù)量減少。

圖7顯示了兩種劃痕溝槽的截面輪廓。圖7a為預壓應(yīng)力條件下普通劃痕溝槽截面輪廓，在劃痕過程中，壓頭與工件接觸后產(chǎn)生強烈擠壓作用，劃痕溝槽出現(xiàn)明顯的邊緣破碎和晶粒撥出，導致溝槽截面輪廓不平整，溝槽邊緣兩側(cè)有一定的材料堆積，并且由于預壓應(yīng)力的作用導致實際溝槽深度小于理論值。相比之下，圖7b顯示的超聲振動輔助劃痕溝槽輪廓圖中，溝槽邊緣沒有明顯的材料堆積，并且相較于普通劃痕過程，超聲振動輔助劃痕過程得到的劃痕溝槽寬度增大、深度增大、輪廓完整性較好。形成以上現(xiàn)象的原因在于超聲振動輔助劃痕過程中刀具對工件產(chǎn)生強烈的往復沖擊作用，導致溝槽輪廓兩側(cè)堆積的材料脫落，抑制了溝槽輪廓的破碎；同時，由于刀具振動具有一定的振幅，從而增大了溝槽的深度和寬度。

圖5 預壓應(yīng)力條件下兩種劃痕過程SEM表面形貌（200 MPa）

圖6 Al2O3陶瓷離散元仿真結(jié)果（200 MPa）

圖7 兩種劃痕溝槽的截面輪廓（200 MPa）

3.2 切削力

圖8顯示了Al2O3陶瓷在0 MPa和400 MPa預壓應(yīng)力條件下兩種劃痕過程的動態(tài)切向力，忽略了劃痕開始位置和結(jié)束位置的切削力變化。比較兩個過程的切向力變化，超聲振動輔助劃痕過程的動態(tài)切向力較小，且波動較為平穩(wěn)。分別比較0 MPa和400 MPa時兩種劃痕過程的動態(tài)切向力，當預壓應(yīng)力值為400 MPa時，兩種劃痕過程的切向力值都會增大，但波動更平穩(wěn)。對于Al2O3陶瓷，由于其自身性能特點，在普通劃痕過程中，刀具與工件產(chǎn)生劇烈的擠壓作用，并且材料無法通過變形減緩該作用，最終導致材料破碎、晶粒剝落、拔出，從而釋放出刀具與工件之間的擠壓力，使劃痕過程的動態(tài)切向力出現(xiàn)波動。同時，預壓應(yīng)力的存在可以改變材料的去除方式，導致一定預壓應(yīng)力值范圍內(nèi)，劃痕動態(tài)切向力波動強度減弱。相反，在超聲振動輔助劃痕過程中，由于超聲振動自身特性，材料的去除過程為刀具的往復沖擊和 切削，劃痕過程切向力波動較為平緩，并且切向力值減小。

圖9顯示了不同劃痕深度下Al2O3陶瓷在兩種劃痕過程中的平均切向力變化。從圖9可以得出： （1）不同劃痕深度下，相較于普通劃痕過程，超聲振動輔助劃痕過程的平均切向力較小。（2）在兩種劃痕過程中，平均切向力均隨著預壓應(yīng)力值的增大而增大。但普通劃痕過程切向力的增大未呈現(xiàn)出單調(diào)性，超聲振動輔助劃痕過程的切向力增大呈現(xiàn)單調(diào)性。

圖8 Al2O3陶瓷劃痕動態(tài)切向力

圖9 Al2O3陶瓷劃痕平均切向力

4 結(jié)論

（1）預壓應(yīng)力條件下Al2O3陶瓷普通劃痕溝槽邊緣完整性不好，存在不規(guī)則破碎現(xiàn)象，刀具劃出位置存在材料崩碎現(xiàn)象。相對而言，超聲振動輔助劃痕溝槽邊緣的破碎表現(xiàn)出周期性規(guī)律，并且破碎面積更大，刀具劃出位置存在較深的徑向裂紋。

（2）從離散元仿真結(jié)果可以看出，超聲振動輔助劃痕能夠減少溝槽底部徑向裂紋數(shù)量，但會增大徑向裂紋的最大深度。

（3）比較兩種劃痕截面輪廓，超聲振動輔助劃痕過程，表面溝槽深度和寬度更大，從而具有更大的材料移除率。

（4）不同劃痕深度下，超聲振動輔助劃痕下的平均切向力均較小，并且動態(tài)切向力變化較為平穩(wěn)，增長呈現(xiàn)單調(diào)性。

[1] SANJAY A, RAO P V. Experimental investigation of surface/subsurface damage formation and material removal mechanisms in SiC grinding[J]. International journal of machine tools & manufacture, 2008, 48(6): 698-710.

[2] XIE J, LI Q, SUN J X, et al. Study on ductile-mode mirror grinding of SiC ceramic freeform surface using an elliptical torus-shaped diamond wheel[J]. Journal of materials processing technology, 2015, 222: 422-433.

[3] MALKIN S, HWANG T W. Grinding mechanisms for ceramics[J]. Annals of the CIRP, 1996, 45: 569-580.

[4] MAMALIS A G, HORVATH M, KUNDRAK J, et al. On the precision grinding of advanced ceramics[J]. The international journal of advanced manufacturing technology, 2002, 20(4): 255-258.

[5] ZHANG B, ZHENG X L, TOKURA H, et al. Grinding induced damage in ceramics[J]. Journal of materials processing technology, 2003, 132: 353-364.

[6] 李頌華, 韓濤, 孫健, 等. HIPSN陶瓷高效精密磨削工藝優(yōu)化試驗研究[J]. 表面技術(shù), 2018, 47(9): 287-295. LI Song-hua, HAN Tao, SUN Jian, et al. Optimization experiment on HIPSN ceramic high efficient and precision grinding process[j]. Surface technology, 2018, 47(9): 287-295.

[7] CHEN W, RAVICHANDRAN G. Dynamic compressive failure of a glass ceramic under lateral confinement[J]. Journal of the mechanics & physics of solids, 1997, 45(8): 1303-1328.

[8] YOSHINO M, YASUFUMI O, SIVANANDAM A. Machining of hard-brittle materials by a single point tool under external hydrostatic pressure[J]. Journal of manufacturing science and engineering, 2005, 127(4): 837-845.

[9] YOSHINO M, HIGASHI E, KAWADE K. Development of a machining tester for two dimensional machining test under external hydrostatic pressure[J]. JSME international journal, 2006, 49: 329-333.

[10] TAN Yuan-qiang, JIANG Sheng-qiang, YANG Dong-min, et al. Scratching of Al2O3under pre-stressing[J]. Journal of materials processing technology, 2011, 211: 1217-1223.

[11] TAN Yuan-qiang, JIANG Sheng-qiang. Prestress scratching on sic ceramic[J]. International journal of applied ceramics technology, 2012(9): 322-328.

[12] UHLMANN E. Surface formation in creep feed grinding of advanced ceramics with and without ultrasonic assistance[J]. Annals of the CIRP, 1998, 47(1): 249-252.

[13] SPUR G, HOLL S E. Material removal mechanisms during ultrasonic assisted grinding[J]. Production engineering, 1997, 4(2): 9-14.

[14] CAO Jian-guo, WU Yong-bo, LU Dong, et al. Material removal behavior in ultrasonic-assisted scratching of SiC ceramics with a single diamond tool[J]. International journal of machine tools & manufacture, 2014, 79: 49-61.

[15] NIIHARA K, MORENA R, HASSELMAN D. Evaluation ofICof brittle solids by the indentation method with low crack-to-indent ratios[J]. Journal of material science letters, 1982, 1(1): 13-16.

[16] CHAUDHRI M M, PHILLIPS M A. Quasi-static indentation cracking of thermally tempered soda-lime glass with spherical and vickers indenters[J]. Philosophical magazine A, 1990, 62(1): 1-27.

[17] CHANDRASEKAR S, CHAUDHRI M M. Indentation cracking in soda-lime glass and Ni-Zn ferrite under knoop and conical indenters and residual stress measurements[J]. Philosophical magazine A, 1993, 67(5): 1187-1218.

[18] WANG Yan, LIN Bin, WANG Shao-lei, et al. Study on the system matching of ultrasonic vibration assisted grinding for hard and brittle materials processing[J]. International journal of machine tools & manufacture, 2014, 77: 66-73.

[19] PEI Z J, FERREIRA P M. Modeling of ductile-mode material removal in rotary ultrasonic machining[J]. International journal of machine tools & manufacture, 1998, 38(10-11): 1399-1418.

[20] LIU De-fu, CONG W L, PEI Z J, et al. A cutting force model for rotary ultrasonic machining of brittle materials[J]. International journal of machine tools & manufacture, 2012, 52(1): 77-84.

[21] QU W, WANG K, MILLER M H, et al. Using vibration-assisted grinding to reduce subsurface damage[J]. Journal of the international societies for precision engineering and nanotechnology, 2000, 24: 329-337.

Experimental Study on Ultrasonic Assisted Scratching Process of Engineering Ceramic under Compressive Prestress

a,b,b

(a.Engineering Training Center, b.School of Mechanical Engineering, Xiangtan University, Xiangtan 411105, China)

The work aims to explore the surface damage characteristics of the workpiece in the compressive prestress machining process of engineering ceramics in combination with ultrasonic vibration machining method. An engineering model of ultrasonic vibration assisted machining process of engineering ceramics under compressive prestress was established. Based on the discrete element simulation results and experimental results of Al2O3ceramic scratch process, the machined surface was observed by scanning electron microscope, and the scratch force was measured by three-dimensional dynamic piezoelectric dynamometer. The fracture of groove profile showed a periodic trend during the ultrasonic vibration under compressive prestress and the materials pilling up on the edge of the scratching-groove were constrained. When the prestress was 200 MPa and scratching depth was 10 μm, the actual scratching depth and groove width of normal scratching process were 7.58 μm and 107.5 μm, respectively, while those of ultrasonic assisted scratching process were 8.55 μm and 143.5 μm. With the simulation results, the ultrasonic assisted scratching process could decrease the number of radial cracks, but increase the depth. What’s more, the tangential forces of the both scratching processes showed obvious discrepancy. The ultrasonic assisted scratching process had the lower tangential force which fluctuated more steadily. Ultrasonic vibration assisted machining process can reduce the cutting force in the prestress machining process of engineering ceramics and improve the machining efficiency of materials.

compressive prestress; ultrasonic vibration; scratching; tangential force; discrete element

2018-10-30；

2019-02-14

V261.92

A

1001-3660(2019)06-0346-07

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.06.042

2018-10-30；

2019-02-14

國家自然科學基金（51775469）；湖南省自然科學基金（2017JJ4051）

Supported by the National Natural Science Foundation of China (51775469), the Natural Science Foundation of Hunan Province（2017JJ4051）

張高峰（1971—），男，博士，教授，主要研究方向為難加工材料加工工藝及刀具。郵箱：201610161659@smail.xtu.edu.cn

ZHANG Gao-feng (1971—), Male, Ph. D., Professor, Research focus: processing technology and tools of hard-to-cut materials. E-mail: 201610161659@smail.xtu.edu.cn