氧化鋯陶瓷微孔鉆削加工工藝試驗(yàn)研究

徐有峰，卞榮，周飛翔，黃佳怡，張澤平

(南京工程學(xué)院工業(yè)中心，江蘇南京 211107)

0 前言

氧化鋯作為一種新型結(jié)構(gòu)陶瓷材料，因具有高硬度、良好的耐腐蝕性和絕緣性能，常用于晶圓片搬運(yùn)的夾具、精密儀器中的傳感器、超大規(guī)模集成電路中的元器件等[1-2]。現(xiàn)代設(shè)備逐漸朝著小型化、集成化的方向發(fā)展，從各種尖端零件到普通商用器械，對(duì)于孔、槽的加工需求越來(lái)越多。孔、槽的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，微小孔隙較多，并且加工出的微小孔的質(zhì)量對(duì)其功能實(shí)現(xiàn)具有重要影響。

一般情況下，陶瓷燒結(jié)后難以預(yù)留滿(mǎn)足精度和尺寸要求的孔，還需要進(jìn)行后續(xù)加工。而工程陶瓷屬于典型的難加工材料[3]，其本身脆性大、韌性差，在鉆孔過(guò)程中易產(chǎn)生微裂紋和崩邊等缺陷。產(chǎn)生崩邊后，一般需要后續(xù)工序消除，有時(shí)甚至因?yàn)楸肋呥^(guò)大導(dǎo)致工件直接報(bào)廢，使得陶瓷零件的加工成本升高[4]。因此，尋找能夠減小陶瓷材料出口崩邊的工藝方法，對(duì)于提高零件的加工質(zhì)量、降低成本具有重要意義。

通常，微孔加工的刀具長(zhǎng)徑比較大、剛性較差，加工中受到過(guò)大的軸向力時(shí)易出現(xiàn)孔口損傷和鉆頭折斷等問(wèn)題，為了降低微孔鉆削中的切削力、提高刀具壽命和孔加工質(zhì)量，可選擇降低陶瓷硬度或采用低硬度的陶瓷進(jìn)行加工。WANG等[5]對(duì)預(yù)燒結(jié)Al2O3陶瓷進(jìn)行鉆孔實(shí)驗(yàn)，研究了不同燒結(jié)溫度下孔加工的質(zhì)量和刀具磨損。CHANG 和LIN[6]通過(guò)分段加工的方式對(duì)氮化物陶瓷進(jìn)行了高長(zhǎng)徑比(11.64、15.36)微孔(φ64 μm、φ55 μm)的鉆削加工，研究了加工參數(shù)對(duì)孔尺寸特性的影響。

此外，在加工工藝方面也有學(xué)者進(jìn)行了研究，其中最常用的方式為啄鉆。CHANG和 LIN[7]對(duì)完全燒結(jié)的Al2O3陶瓷采用淺深度連續(xù)冷卻的啄鉆式加工進(jìn)行微孔鉆削試驗(yàn)，研究了主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速率、回退距離等加工參數(shù)對(duì)孔尺寸特性的影響，并通過(guò)田口分析得到最優(yōu)參數(shù)組合。馬利杰等[8]采用啄鉆加工BK7光學(xué)玻璃，與傳統(tǒng)鉆孔相比，啄鉆加工可以大幅降低孔出口損傷，并且往返式啄改善了排屑條件，提高了孔壁質(zhì)量；每次切削后的回程也使鉆頭得到完全冷卻，減少了因鉆削中產(chǎn)生的熱量而導(dǎo)致的刀具加工性降低，延長(zhǎng)了刀具的使用壽命。

研究表明，雖然啄鉆加工可以降低軸向切削力和減小出口崩邊尺寸，但對(duì)于工程陶瓷等脆性材料而言，崩邊情況仍然嚴(yán)重，加工質(zhì)量仍然較差。因此，本文作者采用金剛石涂層微鉆頭研究不同工藝參數(shù)對(duì)軸向力的影響，在此基礎(chǔ)上提出變進(jìn)給速度啄鉆加工的方式，以驗(yàn)證此工藝方式對(duì)孔出口崩邊的改善效果。

1 試驗(yàn)設(shè)備和方案

此次鉆削試驗(yàn)在自行搭建的一臺(tái)XYZ三軸聯(lián)動(dòng)銑鉆實(shí)驗(yàn)加工平臺(tái)上進(jìn)行，定位精度為1 μm，徑向跳動(dòng)為1～2 μm，動(dòng)態(tài)性能好。工件為完全燒結(jié)的氧化鋯陶瓷，外形尺寸為10 mm×10 mm×1 mm，材料參數(shù)如表1所示。采用Kistler 9256C1型測(cè)力儀對(duì)每組參數(shù)下的切削力進(jìn)行測(cè)試，刀具采用CVD金剛石涂層鉆頭，直徑為0.2 mm，涂層厚度約為8 μm，如圖1(a)所示。此外，利用SEM觀察孔出口崩邊情況，如圖1(b)所示。

圖1 鉆頭(a)和加工試驗(yàn)(b)Fig.1 Drill bit (a)and processing test (b)

表1 氧化鋯陶瓷性能參數(shù)Tab.1 Performance parameters of zirconia ceramics

在鉆削試驗(yàn)中，由于此次所鉆微孔長(zhǎng)徑比為5，屬于深孔加工，且不利于排屑，故采用啄鉆加工。在啄鉆加工中除了主軸轉(zhuǎn)速n、進(jìn)給速度f(wàn)之外，步進(jìn)距離L也是影響軸向力的主要因素[9]。因此采用單因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，研究這3種工藝參數(shù)對(duì)平均軸向力的影響規(guī)律，為后續(xù)改進(jìn)啄鉆工藝提供理論基礎(chǔ)。具體加工試驗(yàn)參數(shù)如表2所示。在此基礎(chǔ)上，選取產(chǎn)生軸向力較大的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化工藝的對(duì)比試驗(yàn)，以驗(yàn)證所提工藝方法對(duì)出口崩邊尺寸的降低效果。

表2 鉆削試驗(yàn)加工參數(shù)Tab.2 Drilling test processing parameters

2 試驗(yàn)結(jié)果分析及討論

2.1 加工參數(shù)對(duì)軸向力的影響

通常隨著加工時(shí)間的增加，軸向力發(fā)生變化，但是變化幅度較小，并且在鉆尖完全鉆入工件之前和即將鉆出之后，軸向力會(huì)發(fā)生明顯變化。因此取加工中完整鉆尖在氧化鋯陶瓷內(nèi)部加工時(shí)的平均軸向力作為此次試驗(yàn)驗(yàn)證軸向力變化的衡量指標(biāo)。

2.1.1 進(jìn)給速度對(duì)軸向力的影響

圖2顯示了鉆削氧化鋯陶瓷時(shí)，不同進(jìn)給速度下軸向力Fz的變化。可以看出：隨著進(jìn)給速度的增加，軸向力逐漸增加。當(dāng)進(jìn)給速度f(wàn)從0.5 mm/min增加到0.7 mm/min時(shí)，軸向力Fz增加了0.43 N；而從0.7 mm/min增加到0.9 mm/min時(shí)，軸向力增加了1.86 N，增幅高達(dá)4倍多。這主要是因?yàn)殡S著進(jìn)給速度的增大，單位時(shí)間內(nèi)加工的距離增大，鉆頭去除的材料體積變多，需要的能量也相對(duì)增多。并且試驗(yàn)加工的孔徑僅有0.2 mm，鉆頭的排屑能力較差以及孔內(nèi)空間狹小，隨著單位時(shí)間去除的氧化鋯陶瓷材料體積的增加，切屑堆積，也會(huì)導(dǎo)致軸向力的增大，并且進(jìn)給速度越大，軸向力增加越明顯。

圖2 不同進(jìn)給速度下軸向力大小Fig.2 Axial force magnitude under different feed speeds

2.1.2 步進(jìn)距離對(duì)軸向力的影響

圖3顯示了不同步進(jìn)距離下軸向力Fz的大小，可以看出：步進(jìn)距離對(duì)軸向力的影響與進(jìn)給速度對(duì)軸向力的影響趨勢(shì)相同，但是軸向力總體上升的趨勢(shì)比較平穩(wěn)，并未出現(xiàn)陡然增大的現(xiàn)象。其原因可能是：一方面是隨著步進(jìn)距離變大，鉆頭單次加工時(shí)間增加，孔徑細(xì)小散熱能力較差，孔內(nèi)處于高溫高壓狀態(tài)，并且無(wú)冷卻液參與，鉆頭的磨損逐漸加劇，導(dǎo)致軸向力的增加；另一方面是單次加工去除材料增多造成切屑堆積，也會(huì)導(dǎo)致軸向力的增大。

圖3 不同步進(jìn)距離下軸向力大小Fig.3 Axial force magnitude under different step distances

2.1.3 主軸轉(zhuǎn)速對(duì)軸向力的影響

圖4顯示了不同主軸轉(zhuǎn)速下軸向力Fz的變化，可以看出：當(dāng)進(jìn)給速度和步進(jìn)距離固定時(shí)，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，軸向力先減小后增加。原因是：隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，鉆頭每轉(zhuǎn)進(jìn)給量減小，使得單位時(shí)間的切削厚度減小，從而降低了軸向力；但是主軸轉(zhuǎn)速過(guò)大時(shí)，鉆頭與氧化鋯陶瓷材料之間的摩擦效果增強(qiáng)，產(chǎn)生的熱量增加，從而導(dǎo)致孔內(nèi)溫度增加劇烈，刀具磨損逐漸加劇，將抵消掉單位時(shí)間切削厚度減小帶來(lái)的軸向力降低的效果，因此主軸轉(zhuǎn)速過(guò)高時(shí)軸向力反而增加。

圖4 不同主軸轉(zhuǎn)速下軸向力大小Fig.4 Axial force magnitude under different spindle speeds

此外，在最低的主軸轉(zhuǎn)速下，鉆頭所受的軸向力最大，其原因可能是：主軸轉(zhuǎn)速的降低雖然會(huì)減小刀具與工件之間的摩擦，但對(duì)于φ0.2 mm鉆頭而言，摩擦磨損所帶來(lái)的軸向力增加效果遠(yuǎn)低于每轉(zhuǎn)去除材料增多所導(dǎo)致的軸向力增加效果。此外較低的主軸鉆速也會(huì)導(dǎo)致機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的穩(wěn)定性降低，從而導(dǎo)致加工中鉆頭與孔壁之間發(fā)生摩擦，這也使得鉆頭的磨損加劇，從而導(dǎo)致軸向力增加。

2.2 啄鉆工藝對(duì)出口崩邊的影響

目前，氧化鋯陶瓷在鉆削加工中，孔出口處崩邊的樣式通常是一種不規(guī)則的形狀，并且其深度也不一致，因此測(cè)量崩邊的最大尺寸D作為加工質(zhì)量衡量標(biāo)準(zhǔn)之一[10]，計(jì)算公式如式(1)所示，具體的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)如圖5所示。

圖5 崩邊大小測(cè)量方式Fig.5 Measurement method of edge collapse size

D=(dmax-d)/2

(1)

根據(jù)上述試驗(yàn)分析結(jié)果可知：進(jìn)給速度f(wàn)從0.7 mm/min增加到0.9 mm/min時(shí)，鉆孔軸向力增幅最大，雖然直接降低進(jìn)給速度可以降低軸向力提高制孔質(zhì)量[8-9]，但是會(huì)造成加工效率降低。因此在加工過(guò)程中采用變進(jìn)給速度方式，在距離孔出口50 μm處將原進(jìn)給速度縮小至一半進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，以研究變進(jìn)給啄鉆工藝對(duì)出口崩邊尺寸的影響。

圖6(a)(b)分別為相同加工參數(shù)下變進(jìn)給啄鉆和直接以恒定進(jìn)給速度啄鉆加工后氧化鋯陶瓷孔出口處的SEM圖片。可以看出：加工后的孔出口依然存在著崩邊現(xiàn)象，但是與采用固定的進(jìn)給速度鉆氧化鋯陶瓷微小孔相比，以變進(jìn)給速度啄鉆加工陶瓷微小孔，在孔的出口處加工損傷范圍和損傷程度顯著降低，崩邊的范圍和尺寸顯著減小，并且未觀察到明顯的裂紋。

圖6 不同啄鉆工藝加工后的孔出口崩邊圖像Fig.6 Image of hole outlet edge collapse after different peck drilling process：(a)n=17 500 r/min，f=0.7 mm/min，L=0.01 mm；(b)n=15 000 r/min， f=0.9 mm/min，L=0.01 mm

經(jīng)過(guò)掃描電子顯微鏡測(cè)量后，測(cè)得以變進(jìn)給啄鉆加工后的圖6(a)(b)孔口崩邊尺寸分別為15.4 μm和29.7 μm，而直接啄鉆加工后的孔口崩邊尺寸分別為34.2 μm和32.6 μm，崩邊尺寸分別降低18.8 μm和2.9 μm。

此外，從圖中可以明顯看出采用變進(jìn)給啄鉆工藝的崩邊面積較小，說(shuō)明采用變進(jìn)給速度啄鉆后，孔出口處的加工質(zhì)量顯著提高。并且此次加工中相較于恒定啄鉆加工的時(shí)間，變進(jìn)給啄鉆加工在距離工件底面孔出口50 μm處改變了進(jìn)給速度，整體加工時(shí)間變化不大。因此，為了減少陶瓷孔出口處損傷，變進(jìn)給啄鉆加工是一種可行的鉆孔方案。

3 總結(jié)

采用直徑為0.2 mm的金剛石涂層鉆頭鉆削完全燒結(jié)的氧化鋯陶瓷微孔，研究了主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度和步進(jìn)距離對(duì)軸向力的影響，在此基礎(chǔ)上開(kāi)展了變進(jìn)給啄鉆工藝對(duì)比試驗(yàn)，得出如下結(jié)論：

(1)單因素試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著進(jìn)給速度和步進(jìn)距離的增大，軸向力增大，而隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，軸向力先降低然后增加。

(2)此次試驗(yàn)中，采用變進(jìn)給啄鉆方式鉆削氧化鋯陶瓷，不僅兼顧了加工效率，還可以減小孔口崩邊尺寸，提高孔出口處的加工質(zhì)量。