基于超聲振動的硬脆性材料磨削加工入孔崩邊研究*

譚麗娜，白 冰

(長春職業(yè)技術(shù)學院 工程分院，吉林 長春 130000)

0 引 言

陶瓷材料因為低密度、高硬度、耐磨耐腐蝕等特性，具有廣泛的應用前景[1-2]。由于陶瓷材料本身的硬脆性,導致加工過程中極易出現(xiàn)裂紋和崩邊等情況，對加工成本、使用性能和有效壽命等方面造成了較大影響，制約了陶瓷材料的廣泛應用[3-4]。

超聲振動輔助磨削工藝是將超聲振動和砂輪的磨削運動結(jié)合，在砂輪磨粒對工件加工區(qū)域劃擦去除的同時，引入了超聲高頻振動對加工表面進行沖擊和空化，改變了材料的去除機理，提高了硬脆材料的加工效率，降低了加工中砂輪上金剛石磨粒對工件表面的有效作用力，同時還可以降低加工區(qū)域溫度并且及時排出切屑，減少了加工后表面二次損傷的發(fā)生[5-6]。

對于超聲振動輔助磨削加工的去除機理，國內(nèi)外學者進行了大量的研究[7]。陶瓷材料鉆孔過程中出現(xiàn)的邊緣破損主要分為入孔崩邊、內(nèi)部破損和出孔崩邊[8]。秦娜[9]建立了恒速進給的切削力模型，分析了孔加工過程中切削力和工藝參數(shù)之間的聯(lián)系，進行了不同砂輪形狀的鉆孔實驗，分析了加工參數(shù)對出孔崩邊的影響；王秀奇[10]使用有限元仿真軟件，研究了陶瓷出孔形成過程中的應力分布情況，提出了施加反向預應力或者添加墊板以降低出孔邊緣的破損的方法；EGASHIRA K等[11]進行了硬脆材料的超聲振動微小孔加工，得出了孔邊緣破損主要是因為加工時應力不均勻分布和內(nèi)部結(jié)構(gòu)不均一。

目前硬脆材料的研究主要集中在氮化硅陶瓷和玻璃材料上，本文將對氧化鋯陶瓷進行研究，采用ABAQUS軟件對入孔崩邊產(chǎn)生的機理進行仿真，探究超聲振動輔助磨削實驗中不同工藝參數(shù)對入孔崩邊的影響，并對仿真的合理性進行驗證。

1 有限元建模與仿真

本文首先建立了砂輪和工件的幾何模型，砂輪的直徑為1.2 mm。為了降低網(wǎng)格數(shù)量，加快計算速度，筆者對砂輪模型進行了簡化，只建立了砂輪前端磨粒的模型。

砂輪表面磨粒尺寸和間距通過掃描電子顯微鏡進行觀測，磨粒隨機分布在砂輪表面，模型中使用多種幾何形狀顆粒嵌入到砂輪模型表面，對磨粒進行了模擬，并將表面金剛石顆粒和砂輪基體設(shè)為剛體結(jié)構(gòu)，加快了仿真收斂速度。

砂輪磨粒分布和仿真模型如圖1所示。

圖1 砂輪磨粒分布和仿真模型

工件為氧化鋯陶瓷，為保證仿真結(jié)果的準確性，筆者選用動態(tài)本構(gòu)模型Johnson-Holmquist Ⅱ?qū)Σ牧蠈傩赃M行設(shè)置。通過修改inp文件中的關(guān)鍵字，添加了氧化鋯陶瓷JH2本構(gòu)模型，實現(xiàn)了材料強度同接觸壓力、應變率和損傷程度相關(guān)聯(lián)。

氧化鋯陶瓷主要力學性能參數(shù)如表1所示。

表1 氧化鋯陶瓷主要力學性能參數(shù)

筆者將工件四周施加完全固定約束，在砂輪中心處設(shè)置參考點，對砂輪施加載荷。主軸轉(zhuǎn)速設(shè)為12 000 r/min，進給速度設(shè)為3 mm/min，加載了振動頻率為30 kHz的軸向超聲載荷，超聲振動最大幅值設(shè)為7 μm，仿真中孔直徑設(shè)置為1.2 mm。

ABAQUS軟件入孔形貌仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 入孔形貌仿真結(jié)果

應力在磨粒接觸的位置進行傳播，當工件上單元體達到或超過失效準則后網(wǎng)格將被刪除，形成單元體內(nèi)部擴展的裂紋。

砂輪底部磨粒和工件表面剛接觸時的應力分布情況如圖2(a)所示。此時崩邊主要由砂輪底面磨粒的沖擊產(chǎn)生，磨粒壓入工件模型表面發(fā)生脆性崩落，形成較大的邊緣磨損，破損的程度受磨粒尺寸的影響較大。

隨著砂輪的進給，由于砂輪側(cè)面磨粒對入孔位置的劃擦作用，在入孔邊緣出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，并引發(fā)崩邊情況的發(fā)生，如圖2(b)所示。

從圖2(c)可以看出：在側(cè)面磨粒的作用下，裂紋向上擴展形成塌邊，造成入孔邊緣破損。

在底面磨粒和側(cè)面磨粒的共同作用下，伴隨著砂輪進給運動，崩邊隨機產(chǎn)生，對加工后孔的質(zhì)量造成很大影響，如圖2(d)所示。

2 磨削孔加工實驗

2.1 實驗條件

磨削實驗在一臺高速精雕機上進行，主軸轉(zhuǎn)速為0～24 000 r/min；刀具采用超聲振動刀柄，型號為HSK32E，通過超聲換能器產(chǎn)生軸向超聲振動；砂輪采用超聲加工專用砂輪，外徑1.2 mm，內(nèi)徑0.4 mm，磨粒濃度100%，磨粒平均粒度為63 μm；超聲波發(fā)生器型號為USPTH-3.3H，功率為0～300 W，振動頻率為18 kHz～30 kHz，提供超聲加工所需的能量，并控制超聲功率的等級。

實驗前對工件表面進行拋光處理，降低表面和亞表面損傷對入孔崩邊存在的潛在干擾；實驗中超聲發(fā)生器的振動頻率自動調(diào)節(jié)并保持穩(wěn)定，通過控制超聲功率來改變超聲幅值，加工中使用的磨削液采用噴射方式對加工區(qū)域進行降溫和排出切屑。

2.2 實驗方案

筆者通過對氧化鋯陶瓷超聲振動磨削仿真進行分析，確定了實驗采用單因素變量方法，研究了主軸轉(zhuǎn)速、進給速度和超聲功率這3個工藝參數(shù)對氧化鋯陶瓷超聲振動磨削入孔崩邊情況的影響。每組參數(shù)進行3次重復實驗以避免隨機誤差的影響，加工孔徑為1.2 mm。

單因素加工參數(shù)如表2所示。

表2 單因素加工參數(shù)

續(xù)表

3 實驗結(jié)果

3.1 圖像處理

筆者通過Matlab中的數(shù)字化處理技術(shù)，對入孔表面進行濾波并提取輪廓形貌。為降低圖像中其他內(nèi)容的干擾并增強入孔邊緣破損處的細節(jié)，采用空域處理方式對圖像進行增強，增強圖像可以表示為：

g(x,y)=EH(f(x,y))

(1)

式中:g(x,y)—增強圖像;EH—轉(zhuǎn)化函數(shù);f(x,y)—未增強的圖像。

為了避免線性濾波中出現(xiàn)的清晰度不夠的情況，采用中值濾波方式對空域進行加強，過濾掉圖像中的脈沖噪聲和尖波干擾，其表達式為：

yk=med(xk-n,xk-n+1,…,xk,…,xk+n)

(2)

式中:med—取中值操作。

筆者通過以上方法對采集到的圖像進行處理。

入口形貌處理結(jié)果如圖3所示。

圖3 入口形貌處理結(jié)果

磨削加工后入孔邊緣的原始圖像如圖3(a)所示。

降噪處理并進行二值化增強邊緣輪廓后得到的形貌圖如圖3(b)所示。

之后筆者進行邊緣提取操作，先對降噪之后的圖形進行局部灰度值擴展，將崩邊處的灰度值區(qū)域進行放大，強化圖像中的邊緣形貌和輪廓內(nèi)部的崩邊細節(jié)，處理后得到的圖像如圖3(c)所示。

最后對圖像中的灰度值進行計算，使用“roberts”算法尋找滿足灰度的邊緣點，判斷入孔邊緣范圍，得到的入孔邊界如圖3(d)所示。

通過以上方式可以減弱噪聲對檢測結(jié)果的影響，有效地提高邊緣檢測的準確性。

對于砂輪磨削加工形成的入孔崩邊，筆者使用崩邊面積，對入孔質(zhì)量進行了評價。對邊緣外側(cè)進行擬合后，通過輪廓邊緣圓周積分來計算崩邊面積S：

(3)

式中:x0,y0—入孔圓心位置坐標；x,y—輪廓邊緣位置坐標；R—輪廓邊緣到圓心的距離；R0—入口設(shè)計半徑。

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 主軸轉(zhuǎn)速對入孔崩邊面積的影響

主軸轉(zhuǎn)速入孔崩邊的影響如圖4所示。

圖4 主軸轉(zhuǎn)速入孔崩邊的影響

由圖4可知：在超聲振動輔助磨削實驗和仿真中，隨著主軸轉(zhuǎn)速增大，入孔崩邊面積都會降低；相比于有限元仿真的結(jié)果，實驗中的入孔崩邊面積曲線在較高轉(zhuǎn)速下出現(xiàn)輕微波動，崩邊面積下降的趨勢變緩，這是由于相同時間內(nèi)主軸轉(zhuǎn)速增加意味著工件單位體積受到更多的磨粒參與加工，降低了單顆磨粒的去除體積和加工區(qū)域的變形程度，從而在較低的磨削力下產(chǎn)生的邊緣脆性崩邊更小，降低了入孔崩邊面積。

3.2.2 進給速度對入孔崩邊面積的影響

進給速度對入孔崩邊面積的影響如圖5所示。

圖5 進給速度對入孔崩邊面積的影響

由圖5可知：在超聲振動輔助磨削實驗和仿真中，隨著進給速度的增加，入孔崩邊面積都會增加；在較高進給速度下，崩邊面積曲線呈幾何方式增加，脆性崩碎分布更加密集并且尺寸更大，這是因為進給速度增大造成了磨粒壓入工件的深度增加，在工件內(nèi)部會產(chǎn)生更大尺寸的裂紋，引起加工表面的大片崩碎發(fā)生；相比實驗的結(jié)果而言，在較高的進給速度下，仿真結(jié)果誤差更大，其原因可能是在較大的進給速度下，崩邊發(fā)生的隨機性變大，導致規(guī)律性變差；隨著進給速度的增加，崩邊面積曲線變化趨勢兩者基本一致。

3.2.3 超聲振動對入孔崩邊面積的影響

超聲功率對深小孔入孔表面圓度誤差的影響如圖6所示。

圖6 超聲功率對深小孔入孔表面圓度誤差的影響

由圖6可知：在超聲振動輔助磨削實驗和仿真中，隨著超聲振動功率的增加，入孔崩邊面積呈明顯下降趨勢，并且實驗結(jié)果和仿真結(jié)果具有很高的相似度，仿真結(jié)果的平均誤差在10%以內(nèi)；加入超聲振動后的入孔崩邊得到了有效改善，在100%超聲功率條件下，崩邊面積減少了38%以上，很大程度上提高了硬脆材料加工中的入孔質(zhì)量，這是由于超聲振動的引入使磨粒在工件表面進行了高頻沖擊，對加工區(qū)域同一位置進行了反復壓入和壓出，產(chǎn)生了明顯的交變應力，使材料在拉應力情況下實現(xiàn)了分離，改變了脆性材料的去除機理，增加了脆塑轉(zhuǎn)變的臨界磨削深度，同時超聲振動也增加了單位體積內(nèi)實際參與加工的磨粒數(shù)量，降低了單顆磨粒的實際磨削力，抑制了裂紋在工件內(nèi)部的擴展趨勢；從磨粒運動軌跡方面分析，高頻振動使磨粒的連續(xù)切削變?yōu)榱藬嗬m(xù)加工，在相鄰兩次沖擊間隔條件下，磨粒與工件的實際接觸時間極短，同樣降低了加工中的實際磨削力。

此外，超聲振動輔助磨削過程中工件和砂輪斷續(xù)接觸，提高了切削液的潤滑效果，使工件的內(nèi)部溫度得以改善，并促進加工中產(chǎn)生的切屑和脫離的磨粒排出加工區(qū)域，減少了二次崩邊發(fā)生的幾率，提高了入孔邊緣質(zhì)量。

4 結(jié)束語

本文使用有限元軟件對氧化鋯陶瓷進行了磨削仿真，結(jié)合仿真結(jié)果，對超聲振動輔助磨削實驗進行指導，從仿真和實驗的結(jié)果分析了氧化鋯陶瓷磨削孔加工中入孔崩邊的形成機理，研究了工藝參數(shù)對入孔崩邊面積的影響規(guī)律，具體如下：

(1)從仿真結(jié)果可以看出：隨著砂輪和工件接觸，應力在磨粒接觸位置逐漸增大，達到材料的斷裂強度極限后，對失效單元進行了刪除；仿真時，對砂輪附加超聲后，在沖擊作用下，磨粒和工件的接觸位置應力迅速升高，在應力傳播之前會達到應力極限，對單元進行刪除，降低了崩邊產(chǎn)生的尺寸；

(2)從實驗結(jié)果可以看出：隨著主軸轉(zhuǎn)速和超聲功率的增加，入孔崩邊面積逐漸減少；隨著進給速度的增加，崩邊面積有幾何增長的趨勢；超聲振動可以有效提高硬脆材料加工中的入孔質(zhì)量，在100%超聲功率條件下崩邊面積減少了38%以上；

(3)從仿真和實驗在入孔崩邊面積方面的對比情況可以看出：仿真得出的崩邊面積變化趨勢和實驗趨勢基本一致，從整體上看崩邊面積的仿真誤差在10%以內(nèi)，超聲振動磨削仿真可以實現(xiàn)對入孔崩邊面積的預測；

(4)將超聲振動系統(tǒng)和傳統(tǒng)砂輪磨削相結(jié)合，通過仿真和實驗，可以得出：去除了工件表面受到的磨粒沖擊和交變載荷，降低了加工區(qū)域的應力集中程度，改善了加工中的冷卻和潤滑條件，提高了入孔質(zhì)量。