碳化硅陶瓷超聲波輔助磨削表面完整性研究

侯保江,水涌濤,孫向春,安亞青

(1.北京航天長(zhǎng)征飛行器研究所， 北京 100076；2.中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院， 北京 100076)

隨著光機(jī)電領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步，各種掃描儀、投影機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等新產(chǎn)品對(duì)光學(xué)透鏡的需求量巨大。特別是近幾年智能手機(jī)的蓬勃發(fā)展，對(duì)小型光學(xué)鏡頭的需求量也越來(lái)越大。現(xiàn)在，一般采用熱沖擊的方法來(lái)制造小型光學(xué)鏡頭。用于熱沖擊的模具要求具有耐高溫、耐反復(fù)沖擊的特性，碳化硅陶瓷具有優(yōu)異的耐高溫特性、化學(xué)安定性等優(yōu)良的物化特性，所以碳化硅陶瓷適宜于制造小型光學(xué)鏡頭所用的模具。但和其他的半導(dǎo)體材料的材料特性類似，碳化硅單晶也是典型的硬脆材料，具有材料硬度高、斷裂韌性低及化學(xué)穩(wěn)定性高等特性。迄今為止，碳化硅陶瓷模具的內(nèi)圓加工均采用的手工打磨的方法進(jìn)行，其加工時(shí)間長(zhǎng)、加工成本高，同時(shí)加工精度不能保證[1-2]。

為了解決現(xiàn)在碳化硅陶瓷內(nèi)圓加工中存在的問(wèn)題，本研究提出超聲波輔助內(nèi)圓磨削的方法。超聲波輔助磨削綜合了超聲波振動(dòng)及金剛石磨削的特點(diǎn)，具有改善表面質(zhì)量、降低磨削力、減少砂輪堵塞等優(yōu)點(diǎn)[2-3]。但目前對(duì)硬脆材料超聲磨削的表面完整性研究較少，且研究多采用實(shí)驗(yàn)的方法探索加工過(guò)程參量對(duì)材料去除結(jié)果的影響規(guī)律方面，闡明磨削過(guò)程的表面完整性特性對(duì)實(shí)現(xiàn)其高效高精密加工有重要的意義。

本研究將超聲波振動(dòng)運(yùn)用到內(nèi)圓磨削中，通過(guò)觀察并對(duì)比超聲波輔助內(nèi)圓磨削及普通磨削的表面完整性，確定碳化硅陶瓷超聲波輔助內(nèi)圓磨削的延性-脆性轉(zhuǎn)移特性，以明確碳化硅陶瓷超聲波輔助磨削的加工特性。

1 加工原理及實(shí)驗(yàn)條件

超聲波輔助內(nèi)圓磨削裝置如圖1所示，工件以一定轉(zhuǎn)速(表1中的nw)旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，超聲波振動(dòng)(頻率f，振幅A)施加在砂輪(旋轉(zhuǎn)速度ng)的軸向，在砂輪的徑向施加進(jìn)給速度Vc，從而實(shí)現(xiàn)超聲波內(nèi)圓磨削。為了改善內(nèi)圓面的加工質(zhì)量，砂輪在進(jìn)行磨削的同時(shí)也在工件的軸向進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

圖1 超聲波輔助內(nèi)圓磨削裝置

基于上述原理，在內(nèi)圓磨床(岡本GRIND-X IGM15EX)上構(gòu)建了超聲波輔助內(nèi)圓磨削裝置。超聲波振動(dòng)系統(tǒng)采用URT40超聲波發(fā)生裝置，為了記錄磨削過(guò)程的磨削力的變化在超聲波主軸的下方放置了三向測(cè)力儀。超聲波主軸上裝有直徑為6 mm的砂輪，使用的碳化硅陶瓷工件內(nèi)徑12 mm、外徑22 mm，長(zhǎng)13 mm。實(shí)驗(yàn)過(guò)程冷卻液為60倍稀釋乳化液，磨削后工件內(nèi)面的表面完整性通過(guò)掃描電鏡(ELIONIX公司ERA-8900)觀察。實(shí)驗(yàn)條件如表1所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果

在磨削過(guò)程中相對(duì)于工件單顆磨粒的最大切削深度gm可以表示為[4]

(1)

式中：a為連續(xù)切削刃間隔；Vw為工件的線速度；Vg為砂輪的線速度；Δ為砂輪的半徑切削量，De為砂輪的當(dāng)量直徑。在內(nèi)圓磨削中砂輪的當(dāng)量直徑為[4]:

(2)

式中：Dg為砂輪的直徑；Dw為工件的直徑。連續(xù)切削刃間隔a的表達(dá)式為[5]:

(3)

式中：M為粒度的編號(hào)；ηg為磨粒占砂輪的體積率。

表1 實(shí)驗(yàn)條件

圖2(a)及圖2(b)為砂輪轉(zhuǎn)速4 000 r/min時(shí)，通過(guò)掃描電鏡觀察的普通內(nèi)圓磨削及超聲波輔助內(nèi)圓磨削的內(nèi)圓表面形貌圖。根據(jù)式(1)～式(3)，此時(shí)單顆磨粒的最大切削深度gm=0.069 μm。圖3(a)及圖3(b)為砂輪轉(zhuǎn)速3 000 r/min時(shí)，通過(guò)掃描電鏡觀察的普通內(nèi)圓磨削及超聲波輔助內(nèi)圓磨削的內(nèi)圓表面形貌圖，此時(shí)單顆磨粒的最大切削深度gm=0.093 μm。

圖2 Vg=4 000 r/min條件下碳化硅內(nèi)圓表面形貌

在gm=0.069 μm時(shí)，普通內(nèi)圓磨削生成的工件表面可以觀察到局部呈現(xiàn)脆性破壞，同時(shí)也可以看到延性面。與之相對(duì)的是，在超聲波輔助內(nèi)圓磨削生成的表面幾乎看不到脆性破壞。這表明此時(shí)普通的內(nèi)圓磨削的磨削模式為延性-脆性混合域磨削，而超聲波輔助內(nèi)圓磨削的磨削模式為延性域磨削。在gm=0.093 μm時(shí)，普通內(nèi)圓磨削生成的工件表面幾乎都為脆性破壞形成的表面，而超聲波輔助內(nèi)圓磨削生成的表面只在局部可以看到脆性破壞形成的表面。這表明此時(shí)普通的內(nèi)圓磨削的磨削模式為脆性域磨削，而超聲波輔助內(nèi)圓磨削的磨削模式為延性-脆性混合域磨削。

以上的結(jié)果說(shuō)明，碳化硅陶瓷超聲波輔助內(nèi)圓磨削相對(duì)于普通內(nèi)圓磨削更容易實(shí)現(xiàn)延性域磨削。本研究的結(jié)果表明碳化硅陶瓷普通內(nèi)圓磨削的延性-脆性轉(zhuǎn)移點(diǎn)為gm=0.069 μm，而碳化硅陶瓷超聲波輔助內(nèi)圓磨削的延性-脆性轉(zhuǎn)移點(diǎn)為gm=0.093 μm。

圖3 Vg=3 000 r/min條件下碳化硅內(nèi)圓表面形貌

3 結(jié)論

提出了碳化硅陶瓷超聲波內(nèi)圓磨削的方法。通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，超聲波輔助內(nèi)圓磨削更容易實(shí)現(xiàn)延性域的磨削，碳化硅陶瓷普通內(nèi)圓磨削的延性-脆性轉(zhuǎn)移點(diǎn)為gm=0.069 μm，而碳化硅陶瓷超聲波輔助內(nèi)圓磨削的延性-脆性轉(zhuǎn)移點(diǎn)為gm=0.093 μm。