超聲振動(dòng)輔助下硬脆材料磨削劃擦性能分析

（新鄉(xiāng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，數(shù)控技術(shù)學(xué)院，河南新鄉(xiāng)市，453006） 楊 楊

采用超聲輔助磨削方式可以對(duì)工程陶瓷材料加工性能發(fā)揮顯著改善效果，但根據(jù)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)報(bào)道發(fā)現(xiàn)當(dāng)改變振動(dòng)模式或參數(shù)時(shí)產(chǎn)生的效果也存在明顯區(qū)別。為準(zhǔn)確分析掌握超聲輔助磨削效果，為生產(chǎn)實(shí)踐提供指導(dǎo)意義，還需針對(duì)超聲輔助磨削加工過(guò)程開(kāi)展更加深入研究[1-2]。

在超聲振動(dòng)狀態(tài)下對(duì)單點(diǎn)金剛石壓頭開(kāi)展劃痕測(cè)試是分析超聲輔助磨削加工機(jī)制，特別是單顆磨粒去除性能評(píng)價(jià)的一種高效方法[3]。上述方法可以對(duì)單顆磨粒發(fā)生的磨削過(guò)程進(jìn)行模擬，能夠從微觀層面探討超聲振動(dòng)對(duì)磨削加工的效果[4]。目前已有很多學(xué)者開(kāi)展了以上研究工作。通常都是根據(jù)單顆磨粒劃擦的效果構(gòu)建對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，再通過(guò)砂輪磨削實(shí)驗(yàn)對(duì)模型開(kāi)展驗(yàn)證，并未根據(jù)單顆粒劃擦效果驗(yàn)證模型性能[5-6]。本文選擇金剛石壓頭模擬砂輪單顆磨粒為測(cè)試對(duì)象，針對(duì)不同劃擦深度下常規(guī)劃擦與超聲振動(dòng)劃擦測(cè)試。

1 試驗(yàn)條件

利用金剛石壓頭組成機(jī)床刀柄再對(duì)刀具進(jìn)行夾持固定，根據(jù)機(jī)床進(jìn)給速度設(shè)定劃擦速度參數(shù)，并且刀柄處較易產(chǎn)生超聲振動(dòng)，由此完成超聲振動(dòng)輔助劃擦的效果。本實(shí)驗(yàn)以加工中心(US70，DMG)作為測(cè)試系統(tǒng)，通過(guò)直線運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)開(kāi)展劃擦測(cè)試，將機(jī)床橫向進(jìn)給速度設(shè)定在0.1m/min。

為準(zhǔn)確設(shè)定切入點(diǎn)位置，選擇聲發(fā)射儀器和測(cè)力儀完成對(duì)刀控制。以下給出了具體處理步驟：保持壓頭以緩慢速度降低到閾值范圍外的聲發(fā)射信號(hào)，再以該此點(diǎn)位置作為零點(diǎn)。

采用30mm×30mm×10mm 方形碳化硅陶瓷試樣，洛氏金剛石壓頭，保持其切削錐角為120°，刃半徑為25μm。壓頭和超聲刀柄質(zhì)檢以螺紋結(jié)構(gòu)相連。設(shè)定劃痕超聲振幅0μm、1.55μm 與3.1μm，再將其他參數(shù)都設(shè)定為同樣數(shù)值。

利用基恩士VK-X260K 激光共聚焦顯微鏡觀察工件表面微觀形貌，通過(guò)自主開(kāi)發(fā)的表面形貌分析軟件對(duì)測(cè)試結(jié)果開(kāi)展統(tǒng)計(jì)分析。

2 測(cè)試方案

本文將試樣置于共聚焦顯微鏡下進(jìn)行劃痕微觀形貌表征，結(jié)合形貌測(cè)試參數(shù)分析劃痕尺寸與面積的影響因素。按照?qǐng)D1方式對(duì)劃痕微觀形貌進(jìn)行表征，采用激光共聚焦顯微鏡測(cè)試劃痕組織形貌。結(jié)合初始平面分辨劃痕溝槽、凸起與初始平面范圍。

圖1 數(shù)據(jù)處理流程

3 劃擦力分析

圖2 所示，不同劃痕切入深度下形成的法向劃擦力。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩種劃擦方式下形成的法向劃擦力跟切入深度之間都保持線性變化趨勢(shì)，通過(guò)線性擬合得到的R2 都超過(guò)95%。存在超聲振動(dòng)情況下，隨著深度的增大，法向力相對(duì)常規(guī)劃擦方式發(fā)生了顯著減小，斜率減小近70%。根據(jù)圖1可知，設(shè)置超聲輔助時(shí)發(fā)生了法向劃擦力的大幅減小。超聲振幅達(dá)到3.1μm時(shí)，相對(duì)1.55μm條件下發(fā)生了劃擦力的更明顯降低，但并未達(dá)到非常突出程度。

圖2 法向力分布

圖3 所述，不同劃痕切入深度下的切向劃擦力測(cè)試數(shù)據(jù)，可以看到跟法向劃擦力形成了相近的變化趨勢(shì)，此時(shí)切向劃擦力和深度間保持一階線性正相關(guān)的變化規(guī)律，通過(guò)線性擬合得到的R2 都超過(guò)93%。設(shè)置超聲的條件下，切向力升高速度接近無(wú)超聲條件下的70%。將超聲振幅提高到3.1μm時(shí)形成了比1.55μm更大程度的切向劃擦力降幅。

圖3 切向力分布

圖4 所示，對(duì)劃擦階段不同切入深度下進(jìn)行劃擦力比測(cè)試得到的曲線。通過(guò)分析劃擦力比可知都介于0.1～0.5范圍內(nèi)，與振幅1.55μm條件下的劃擦測(cè)試結(jié)果相比，將振幅提高制3.1μm 時(shí)發(fā)生了劃擦力比的顯著降低。結(jié)合圖3測(cè)試結(jié)果可知增大切入深度時(shí)，發(fā)生了劃擦力比的持續(xù)升高，而當(dāng)壓頭發(fā)生磨損時(shí)形成更大刃圓半徑情況下引起劃擦力比的輕微降低。

圖4 劃擦力比分布

本實(shí)驗(yàn)以碳化硅陶瓷材料作為兩相材料，包括大尺寸SiC 顆粒與小尺寸SiC 以及較多的游離硅設(shè)置超聲條件下形成的劃擦劃痕在各組織相中的表現(xiàn)存在較大差異。根據(jù)測(cè)試可知，混合相中的材料基本都是誠(chéng)信微破碎的模式去除，進(jìn)入崩碎階段時(shí)主要形成SiC顆粒。引起該結(jié)果的原因是游離硅與SiC 顆粒可以形成高強(qiáng)度混合相，并且產(chǎn)生多界面結(jié)構(gòu)時(shí)也對(duì)裂紋擴(kuò)展起到抑制作用，因此更易表現(xiàn)為微破碎的模式。經(jīng)過(guò)磨削處理的表面也產(chǎn)生了相近的特征，對(duì)于SiC顆粒尺寸接近10μm的碳化硅陶瓷材料，崩碎都是先出現(xiàn)在SiC 與Si 相界面缺陷處。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，選擇金剛石壓頭模擬砂輪單顆磨粒為測(cè)試對(duì)象，針對(duì)不同劃擦深度下常規(guī)劃擦與超聲振動(dòng)劃擦測(cè)試，設(shè)置超聲輔助時(shí)法向劃擦力大幅減小。將超聲振幅提高到3.1μm 時(shí)形成了比1.55μm更大程度的切向劃擦力降幅。增大切入深度，劃擦力比持續(xù)升高，壓頭磨損會(huì)引起劃擦力比的輕微降低。