激光結(jié)構(gòu)磨削在氮化硅陶瓷中的磨削行為*

李 鍶, 熊學(xué)峰, 溫東東

(湖南理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院, 湖南 岳陽(yáng) 414006)

工程陶瓷材料以其高強(qiáng)度、高硬度，耐磨、耐高溫、耐化學(xué)腐蝕等優(yōu)良性能，在航空航天、國(guó)防軍工和現(xiàn)代醫(yī)學(xué)等重要領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]。氮化硅陶瓷是工程陶瓷家族中綜合性能最為優(yōu)良的一類(lèi)材料，被認(rèn)為是最具發(fā)展應(yīng)用前景的工程陶瓷材料之一[2]。目前，氮化硅陶瓷加工方法中最為成熟、實(shí)用且應(yīng)用最為廣泛的仍是金剛石磨料砂輪磨削加工方法[3]。但氮化硅陶瓷材料本身的高硬度、高耐磨性，使得其磨削加工的磨削力和磨削溫度高，加工質(zhì)量差，砂輪磨損嚴(yán)重。為了深化和推廣氮化硅陶瓷的應(yīng)用，必須針對(duì)氮化硅陶瓷精密磨削開(kāi)展更深入的研究[4]。

激光輔助加工(laser-assisted machining，LAM)是一種利用激光加熱軟化切削區(qū)材料，再進(jìn)行刀具切削加工的技術(shù)。近年來(lái)，LAM已被證明是降低成本、提高效率和改善被加工表面/亞表面損傷的非常有效的方法[5]。與常規(guī)加工方法相比，在降低切削力、延長(zhǎng)刀具壽命、提高加工質(zhì)量和加工效率等方面展現(xiàn)出許多優(yōu)勢(shì)，為解決難加工材料的加工難題提供了一種有效途徑[6-7]。同時(shí)，LAM可用于各種硬脆材料如氧化鋁，碳化硅和氮化硅等陶瓷的加工[8]。

現(xiàn)在最常用的LAM加工是傳統(tǒng)的激光輔助磨削(laser-assisted grinding，LAG)，其工件在激光燒蝕后直接進(jìn)行磨削加工，材料去除率高[9]。但如果加熱層的厚度大于磨削深度，熱裂紋則殘留在表面下，會(huì)極大地影響加工部件的性能；另外，LAG限制磨削液使用，不能從根本上消除由熱積聚導(dǎo)致的表面/亞表面損傷。

因此，通過(guò)激光燒蝕構(gòu)造氮化硅表面，設(shè)計(jì)4種不同的結(jié)構(gòu)化圖案，用金剛石砂輪對(duì)氮化硅表面進(jìn)行磨削試驗(yàn)，研究圖案結(jié)構(gòu)對(duì)磨削效果的影響，并分析砂輪轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速率等磨削參數(shù)對(duì)磨削力的影響。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

用于試驗(yàn)的Si3N4陶瓷材料由氣壓燒結(jié)制成，其性能參數(shù)如表1所示。試樣尺寸為20 mm×20 mm×10 mm，在20 mm×20 mm的表面上進(jìn)行激光結(jié)構(gòu)化構(gòu)造和磨削。

表1 Si3N4陶瓷的性能參數(shù)

表面磨削試驗(yàn)在CNC高精度平面磨床MM9236上進(jìn)行。金剛石砂輪為SDC150N75B，砂輪直徑200 mm，寬度20 mm，砂輪磨粒尺寸為90～106 μm。磨削之前，使用碳化硼進(jìn)行機(jī)械修整。

1.2 試驗(yàn)步驟和方法

1.2.1 氮化硅材料的激光結(jié)構(gòu)化

試驗(yàn)中使用IPG脈沖光纖激光器(型號(hào)：YCP-1-120-50-50-HC-RG)燒蝕氮化硅。該激光器的平均功率Pavg為1～50 W，脈沖頻率f為1～200 kHz，脈沖寬度為0.2～25 ms，波長(zhǎng)為1 064 nm。設(shè)計(jì)的4種不同的凹槽圖案類(lèi)型及凹槽尺寸如圖1和表2所示。

表2 設(shè)計(jì)的4種圖案尺寸

在本項(xiàng)研究中，考慮到熱影響區(qū)的最小化以及需加工出的凹槽尺寸，對(duì)激光加工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化的結(jié)構(gòu)工藝參數(shù)列于表3中。

表3 優(yōu)化的激光結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖2是優(yōu)化加工參數(shù)后的激光單次燒蝕氮化硅的三維示意圖。單次燒蝕的熱影響區(qū)域深度為4～8 μm，靠近激光燒蝕中心線(xiàn)2～5 μm的薄層材料變?yōu)榉蔷B(tài)且易于被磨削去除，通過(guò)6次重復(fù)燒蝕后實(shí)現(xiàn)表2中的H=160 μm凹槽深度。

1.2.2 結(jié)構(gòu)化氮化硅的磨削加工及性能檢測(cè)

表面磨削試驗(yàn)中，改變砂輪轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速率來(lái)研究其對(duì)磨削性能的影響[10]，詳細(xì)的磨削參數(shù)列于表4中。圖3為磨削試驗(yàn)示意圖。磨削過(guò)程中，將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的可溶性水基Mobil Met 265 HSG磨削液以25 L/min的流量施加到磨削區(qū)，磨削液流速約為1.76 mL/(mm2·s)，磨削深度為180 μm。

表4 磨削參數(shù)

使用Kistler 9257A測(cè)力計(jì)測(cè)量磨削力。該測(cè)力計(jì)固定在表面磨床的工作臺(tái)上方，用電荷放大器和采集卡(包括A/D轉(zhuǎn)換器)將測(cè)力計(jì)測(cè)量的模擬信號(hào)放大并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，存儲(chǔ)并顯示在計(jì)算機(jī)上；用自編的LabVIEW程序?qū)υ肼曅盘?hào)進(jìn)行濾波，最終獲得磨削過(guò)程的磨削力。用VHX-5000超景深三維顯微鏡(ULDF-3D)對(duì)氮化硅及砂輪的表面形貌進(jìn)行觀(guān)察。

2 討論與分析

2.1 激光結(jié)構(gòu)后的氮化硅表面觀(guān)察

圖4～圖6為激光燒蝕氮化硅表面獲得的凹槽內(nèi)部形態(tài)，由于圖案A和圖案B的凹槽只是方向不同而結(jié)構(gòu)相同，所以其激光燒蝕形態(tài)以A為代表。從圖4～圖6可以看出：凹槽的底部可分為3個(gè)區(qū)域，二氧化硅晶粒區(qū)域(圖4b)，微裂紋區(qū)域(圖4d)和粗糙重鑄層(圖5b)；凹槽的側(cè)壁可分為2個(gè)區(qū)域，微裂紋區(qū)域(圖6b)和薄而光滑的重鑄層(圖6c)。

形成如此內(nèi)部形態(tài)的原因?yàn)椋菏紫龋?jīng)過(guò)快速加熱和冷卻，氮化硅內(nèi)部溫度分布不均，產(chǎn)生的熱應(yīng)力使該區(qū)域產(chǎn)生熱裂紋。激光在空氣中加工Si3N4時(shí)，Si3N4分解后氧化形成SiO蒸汽，SiO蒸汽立即被氧化并轉(zhuǎn)

變?yōu)楣滔郤iO2；而通過(guò)吸收激光能量形成的薄熔融層，在熔融材料達(dá)到蒸發(fā)溫度，材料蒸汽從表面蒸發(fā)時(shí)熔融物被擠出[11]。由于該熔融材料的一部分在激光加工過(guò)程中于凹槽的側(cè)壁上重新凝固，因此形成薄且光滑的重鑄層，這也解釋了圖4c在凹槽外觀(guān)察到的濺射的存在。

當(dāng)在空氣中加工Si3N4工件時(shí)，在凹槽的底部容易形成圖4b中的二氧化硅顆粒區(qū)域。此外，在結(jié)構(gòu)化圖案C的2個(gè)凹槽重疊部分中觀(guān)察到如圖5b顯示的粗糙重鑄層。這是因?yàn)?個(gè)凹槽重疊部分經(jīng)過(guò)2次激光燒蝕，形成面積相對(duì)較大的凹陷，使空氣流動(dòng)受阻，導(dǎo)致半熔融狀態(tài)的材料不能及時(shí)汽化溢出，最后在凹槽底部再次凝固所致。另外，圖6c中的凹槽壁上的SiO2層易于剝離，是因?yàn)榧す饨Y(jié)構(gòu)化過(guò)程中形成的熱應(yīng)力，使重新凝固的材料和凹槽壁之間形成的界面黏合較弱[12]。

2.2 磨削力數(shù)據(jù)分析

圖7～圖8分別是不同結(jié)構(gòu)化圖案在階段性砂輪轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速率下對(duì)法向及切向磨削力的影響。

從圖7可以看出：在進(jìn)給速率500 mm/min時(shí)，3種砂輪轉(zhuǎn)速下，5種模式的法向磨削力都大于切向磨削力。當(dāng)砂輪轉(zhuǎn)速為50 m/s時(shí)，未結(jié)構(gòu)化圖案工件加工時(shí)的法向磨削力Fn為圖案C的1.4倍。砂輪轉(zhuǎn)速為90 m/s時(shí)，未結(jié)構(gòu)圖案中的法向磨削力Fn為圖案C的2.1倍。且不同圖案中的法向和切向磨削力大小都遵循以下順序：未結(jié)構(gòu)化圖案>圖案A>圖案B>圖案D>圖案C；砂輪轉(zhuǎn)速?gòu)?0 m/s增大到120 m/s時(shí)，法向和切向磨削力均明顯下降。

實(shí)質(zhì)上，金剛石砂輪磨削結(jié)構(gòu)化氮化硅的過(guò)程是磨粒在工件上綜合作用的過(guò)程，進(jìn)行單磨粒磨削深度分析有利于評(píng)估其磨削力。通過(guò)大量數(shù)據(jù)和理論分析，得到有關(guān)單磨粒最大磨削深度的公式[13]：

(1)

式中：hm為最大未變形切屑厚度，d為晶粒尺寸，2為晶粒尖端的頂角，Vfa為磨粒的體積分?jǐn)?shù)，vw為恒定的工作臺(tái)速度，vs為恒定的砂輪轉(zhuǎn)速，a為結(jié)構(gòu)型砂輪的有效切削深度，D為砂輪有效直徑。

在磨削過(guò)程中，隨著砂輪轉(zhuǎn)速vs的增大，單位時(shí)間內(nèi)磨削表面的磨粒數(shù)增多，由式(1)可知，hm隨砂輪轉(zhuǎn)速的增大而減小，而較高的砂輪轉(zhuǎn)速使磨削過(guò)程中單個(gè)磨粒的磨削深度較淺，從而導(dǎo)致砂輪的磨削力減小。

從圖8可以看出：在砂輪轉(zhuǎn)速50 m/s時(shí)，未結(jié)構(gòu)化氮化硅在所有測(cè)試條件下的2種磨削力最大，而磨削具有圖案C的氮化硅時(shí)2種磨削力最小。在50 m/s的砂輪轉(zhuǎn)速和1 500 mm/min的進(jìn)給速率下，與未結(jié)構(gòu)化圖案的工件相比，圖案C的法向磨削力下降了35%。圖案D的法向磨削力減少了25%～27%，而圖案A和圖案B的僅分別減少16%和17%。不同進(jìn)給速率下，5種圖案的法向和切向磨削力都隨進(jìn)給速率的增大而增大，這與TAWAKOLI等[14]的結(jié)果相對(duì)應(yīng)；且力的大小都遵循以下順序：未結(jié)構(gòu)化圖案>圖案A>圖案B>圖案D>圖案C。

綜上所述，砂輪轉(zhuǎn)速增大，磨削力減小。而進(jìn)給速率增大，式(1)中的vw增大，導(dǎo)致最大未變形切屑厚度增大，磨削力變大。同時(shí)，在所有結(jié)構(gòu)化圖案中，圖案C表現(xiàn)出最低的磨削力，比未結(jié)構(gòu)化圖案的法向磨削力最多可降低63%。

2.3 金剛石砂輪磨損分析

通過(guò)對(duì)磨削力的分析，我們分別采用磨削力最小的圖案C在120 m/s的砂輪轉(zhuǎn)速和1 500 mm/min的進(jìn)給速率下得到砂輪的磨損情況，與未結(jié)構(gòu)化圖案在相同條件下得到的砂輪磨損情況進(jìn)行對(duì)比分析。圖9、圖10分別是磨削未結(jié)構(gòu)化圖案和磨削結(jié)構(gòu)化圖案C的氮化硅工件后金剛石砂輪的表面形貌。

圖9 磨削未結(jié)構(gòu)化圖案的氮化硅后金剛石砂輪的表面形貌

從圖9中可看到：磨削未結(jié)構(gòu)化氮化硅表面后，金剛石砂輪上的大部分磨粒和黏接材料已被移除。在磨削過(guò)程中，當(dāng)金剛石砂輪的磨損達(dá)到一定程度時(shí)，金剛石磨粒的鋒利度減小，難以維持高磨削能力，導(dǎo)致材料去除率降低。圖10中，磨削結(jié)構(gòu)化圖案C的氮化硅表面后，金剛石砂輪中的金剛石磨料的一些尖銳尖端已經(jīng)開(kāi)始磨損，但較磨削未結(jié)構(gòu)化氮化硅的砂輪磨損小。這是因?yàn)椋耗ハ鹘Y(jié)構(gòu)化氮化硅時(shí)，凹槽有助于磨削液進(jìn)入磨削區(qū)，使冷卻潤(rùn)滑作用更充分；此外，氮化硅凹槽側(cè)壁上的激光裂紋降低了其加工強(qiáng)度，使磨削力減小，金剛石砂輪的磨損減少。

圖10 磨削結(jié)構(gòu)化圖案C的氮化硅后金剛石砂輪的表面形貌

3 結(jié)論

(1)氮化硅材料激光結(jié)構(gòu)化后，能夠在該材料上獲得精確的溝槽深度和優(yōu)良的燒蝕效果。

(2)分析磨削參數(shù)如砂輪轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速率對(duì)磨削力的影響，并與未結(jié)構(gòu)化氮化硅的結(jié)果進(jìn)行比較。法向磨削力對(duì)激光結(jié)構(gòu)化氮化硅的磨削起主要作用，圖案C的法向磨削力最多降低63%。

(3)對(duì)氮化硅陶瓷進(jìn)行激光結(jié)構(gòu)化構(gòu)造，可改善金剛石砂輪對(duì)氮化硅陶瓷的磨削性能，減小砂輪的磨損程度。