高速平磨氧化鋯磨削力與表面質量的研究

杜添賀，馬廉潔,2，孫立業，賈婧，李紅雙

(1.東北大學機械工程與自動化學院，遼寧沈陽 110819;2.東北大學秦皇島分校控制工程學院，河北秦皇島 066004)

0 前言

氧化鋯陶瓷具有高強度、耐磨損、耐腐蝕等優良性能，被廣泛應用于軍工、航空航天、醫療等領域[1-2]。氧化鋯陶瓷屬于一種不易獲得高表面質量的硬脆難加工材料，在實際加工中容易出現裂紋、崩碎、斷裂等現象。工程陶瓷最常用的加工方法之一是磨削加工，但由于磨削中磨削力較大時，不僅對于機床主軸的精度、砂輪的磨損都會存在一定的影響，而且也會對材料的表面造成一定的損傷。

目前，工程陶瓷在各個領域得到廣泛的應用，針對工程陶瓷的磨削力和表面質量，近年來國內外學者也展開了相關研究。姚遠和張高峰[3]通過開展氧化鋁的磨削試驗，對多個不同應力載荷下的磨削力、表面質量進行了分析，發現在同等磨削深度下，隨著應力載荷的不斷增加，磨削力增大，磨削加工后的工件表面質量呈現變好的趨勢。吳玉厚等[4]探究了在磨削過程中磨削力的變化對氮化硅陶瓷表面質量的影響，發現磨削力與單顆磨粒去除材料的體積相關，切向磨削力和比磨削能在一定范圍內易獲得較好的表面質量。屈碩碩等[5]探究了單向碳纖維增強陶瓷基復合材料磨削加工后的表面質量，采用正交試驗，通過極差分析獲得了不同工藝參數影響主次順序，結果表明：磨削深度、砂輪線速度和進給速度這3個工藝參數對表面質量的影響依次遞減。李頌華等[6]通過探究磨削加工后的HIPSN陶瓷亞表面裂紋,分析了磨削加工過程中產生裂紋的原因以及去除機制,得出合理控制磨削過程中的裂紋能夠提高陶瓷零件的可靠性。MA等[7]研究了磨削深度、工作臺進給速度和砂輪速度對表面粗糙度的影響，基于Snoyes經驗公式提出一種改進的表面粗糙度模型。LIU等[8]分析了磨粒尺寸等參數對磨削力、表面質量的影響，研究了未變形切屑厚度和等效切屑厚度這2種方法對加工后表面質量的影響，通過優化工藝參數，提高了氮化硅的表面質量和加工效率。SUN等[9]為了探究氮化硅陶瓷在高速磨削下的去除機制，分析在單顆磨粒、多顆磨粒等不同的磨削情況下工藝參數對表面形貌的影響。

以上研究表明，磨削力對陶瓷的加工生產具有重要的影響，但對于氧化鋯陶瓷的試驗研究主要集中在工藝參數對磨削力、粗糙度的影響，關于磨削力對表面質量影響的研究較少。本文作者利用樹脂結合劑金剛石砂輪對氧化鋯陶瓷進行加工試驗，構建各個參量之間的影響關系，通過分析試驗結果，研究磨削力對表面粗糙度、表面形貌的影響。

1 試驗方案

1.1 試件

以氧化鋯陶瓷為試驗試件，氧化鋯陶瓷片直徑25 mm、厚度3 mm。材料的性能參數如表1所示。

表1 氧化鋯陶瓷材料性能參數

1.2 試驗條件

試驗在XD-40A數控機床上進行，在干磨條件下采用砂輪旋轉方向與工件進給方向相反的方式進行加工。砂輪采用樹脂結合劑金剛石砂輪，綜合性能指標如表2所示。

表2 金剛石砂輪綜合性能參數

采用瑞士Kistler公司的六分量測力儀對磨削力進行測量,可實時測量空間內3個方向的磨削力,并將磨削過程中采集到的磨削力信號傳輸到計算機上,利用相關軟件對數據進行處理，采用三維表面形貌儀對粗糙度進行測量。試驗裝置如圖1所示。

圖1 磨削試驗裝置

分別以砂輪轉速、進給速度和磨削深度為單因素變量展開試驗，共進行15組單因素試驗，每組試驗進行3次，取平均值作為最后結果。表3所示為試驗的工藝參數和磨削力、粗糙度測量結果。可以看到：法向磨削力Fn最大值為91.9 N、最小值為8.4 N，切向磨削力Ft最大值為12.3 N、最小值為1.8 N；材料表面粗糙度為0.583～0.995 μm。

表3 單因素試驗工藝參數、磨削力、粗糙度

2 試驗結果分析

2.1 工藝參數與磨削力的關系

在不同的工藝參數下測量獲得法向磨削力和切向磨削力，經過數據處理和分析得出如圖2所示的關系示意圖。可以看出：磨削力與砂輪線速度成反比關系,與工件進給速度和磨削深度成正比關系。而加工過程中最大未變形切削厚度的改變對這種情況的產生有直接影響。最大未變形切削厚度計算公式[10]：

圖2 磨削力與磨削參數的關系

(1)

式中：Nd為加工接觸弧長范圍內參與磨削的有效磨粒數；θ為磨粒錐角角度；vs為砂輪線速度；vw為工件進給速度；ap為磨削深度；ds為砂輪直徑。

在以砂輪為單因素的試驗中，砂輪線速度增大，使未變形切削厚度降低。由圖2(a)可知：隨著砂輪轉速的提高，磨削力呈現下降的趨勢，轉速的提高也有效地增加了單位時間內通過加工接觸區的磨粒數，并且單個磨粒所承受的載荷變小，從而導致磨削力呈現降低的趨勢。

由圖2(b)可以看出：隨著工件進給速度的增大，在進給速度4 000～5 000 mm/min的過程中，磨削力出現了陡增現象，說明氧化鋯陶瓷的去除方式逐漸由塑性去除轉變成脆性去除。由式(1)可知隨著進給速度變大，最大未變形切削厚度不斷增加，逐步達到材料的臨界切削深度，從而導致磨削力變大，氧化鋯陶瓷去除方式以剝落、斷裂的脆性去除為主。

由圖2(c)可知：隨著磨削深度的增加，磨削力隨之增大。這是由于磨削深度的增加，使加工過程中磨粒與工件之間的接觸弧長和時間都隨之增加，參與磨削的磨粒數量增多，而磨削力的計算是所有參與磨削的磨粒數所受載荷之和，因此磨削力呈現增大的趨勢。

2.2 磨削力與表面粗糙度的關系

氧化鋯陶瓷磨削試驗中材料的去除主要是由于磨粒劃過陶瓷表面時，徑向載荷大于材料的極限應力，導致裂紋向深處擴展，產生徑向裂紋。而在磨粒加工結束后的卸載過程中，彈性區域由于載荷減小，恢復過程中產生的拉應力超過材料的極限應力時，會產生橫向裂紋。徑向裂紋會影響材料的斷裂韌性，而橫向裂紋如圖3所示平行于表面，會使材料發生晶粒的剝落和去除。在實際加工過程中，氧化鋯主要以延性、脆性去除為主[10-11]。

圖3 材料壓痕裂紋示意

表面粗糙度是作為材料加工后研究表面質量的一個重要指標。不同工藝參數下法向磨削力、切向磨削力與表面粗糙度的關系曲線如圖4所示。由圖(a)可以看出：砂輪線速度逐漸增加時，粗糙度數值隨著法向、切向磨削力的減小，由0.869 μm降低到了0.724 μm，表面質量變好。由圖(b)(c)可知：在分別以工件進給速度和磨削深度為單因素變量時，在工藝參數增大的過程中，隨法向和切向磨削力的增大，材料的表面粗糙度也分別由0.58、0.788 μm增大到0.849、0.861 μm。這是由于法向磨削力主要影響徑向裂紋，降低了材料的斷裂韌性，切向磨削力影響橫向裂紋的延展，導致氧化鋯陶瓷表面出現凹坑、剝落的現象，脆性去除占比升高，粗糙度變大；在磨削深度由25 μm到30 μm的過程中，表面粗糙度出現了下降趨勢，這是由于磨粒與工件接觸的時間變長，磨削時產生的熱量不能及時散出，接觸區溫度升高，導致氧化鋯陶瓷的斷裂韌性有所降低，塑性去除占比提高，粗糙度呈現下降的趨勢，表面質量提高。

圖4 不同工藝參數下磨削力與粗糙度的關系

綜合分析氧化鋯陶瓷磨削力和表面粗糙度與去除方式之間的關系，隨著磨削力的增大，粗糙度數值呈現變大趨勢，去除方式逐漸由塑性去除向脆性去除變化，表面質量變差。因此，為確保加工后的材料表面質量達到一個較好的情況，可采用較高的砂輪線速度和較小的工件進給速度、磨削深度。

2.3 表面形貌

通過激光共聚焦顯微鏡觀察加工后的氧化鋯材料表面形貌。圖5所示為不同磨削力下所對應的表面形貌。可知：磨削力為16.8、22.2 N時，材料表面塑性去除占比較高，表面存在少量的裂紋特征；磨削力為45.9 N時，材料表面出現顯著的脆性斷裂帶，脆性去除占比逐步增大；磨削力為51.9 N時，材料表面出現較多的凹坑和材料剝落特征，這是因為磨削力較大時，會致使裂紋增加和擴大，當裂紋逐漸疊加交匯延伸到表面時，就會引起氧化鋯材料的去除，因此磨削力在逐漸增大的過程中，會導致脆性斷裂去除的狀況出現。圖(e)和圖(f)對應的磨削力分別是80.4、92.2 N，由于磨削深度增加，表面存在切屑粘連情況，磨粒與工件的接觸弧長和時間變長，導致切屑不能及時順利排出，粘連在材料表面。因而，磨削力過大時，氧化鋯陶瓷材料的表面質量會呈現出惡化的趨勢。

圖5 不同磨削力F時表面形貌圖

3 結論

(1)在氧化鋯陶瓷磨削加工過程中，法向、切向磨削力隨著工件進給速度、磨削深度的升高而增大，隨砂輪轉速的升高呈現出下降的趨勢。

(2)當磨削力增大時，粗糙度也呈現增大的趨勢，氧化鋯陶瓷表面質量變差，表面出現脆性斷裂、凹坑等現象，材料去除方式由塑性去除向脆性去除轉變。

(3)通過分析數據和觀察表面形貌，得到磨削力為15～40 N時，表面質量較好，磨削深度大于25 μm時，表面易出現切屑粘連現象。因此，在氧化鋯高速磨削中，可采用較高的砂輪轉速、較小的進給速度和磨削深度來實現高效磨削并保證加工的表面質量。