微織構陣列離散陶瓷材料旋轉超聲加工機理與工藝研究

陳曉曉 ，王 恒 ，張文武

（ 1.中國科學院寧波材料技術與工程研究所，浙江寧波 315201；2.中國科學院大學，北京 100049 ）

隨著科學技術的發(fā)展，以工程陶瓷材料為代表的硬脆材料在航空航天、能源動力、空間探測以及光學半導體領域中的應用日益廣泛[1]。 陶瓷材料現(xiàn)有加工方法有磨削、超聲加工、激光加工、水射流加工以及電火花加工等[2-6]。 由于陶瓷材料的硬脆性，加工難度較大，有關硬脆材料高材料去除率方面的研究鮮有報道。 陶瓷材料性能優(yōu)良，在諸多先進制造領域均有關鍵應用， 為進一步實現(xiàn)其高性能應用，亟需解決該類材料的高效高質加工難題。

為實現(xiàn)陶瓷材料的高效去除加工，本文提出一種激光預制微織構與旋轉超聲加工結合的復合加工工藝。 該工藝先利用激光加工在工件表面加工出一定特征的微織構，使其表面離散化，再進行旋轉超聲加工。 由于工件表面由原來的連續(xù)結構變?yōu)殡x散化結構，材料的結構、性能發(fā)生改變，在旋轉超聲加工時可降低刀具與工件之間的載荷，降低刀具磨損程度，從而有利于實現(xiàn)陶瓷等硬脆材料的高去除率加工。

本研究圍繞難加工硬脆材料高效高質加工，針對預制微織構氧化鋁陶瓷旋轉超聲銑削加工機理與工藝開展研究，并進行初步應用研究。

1 預制微織構陶瓷旋轉超聲加工試驗設置

表1 為激光預制微織構參數(shù)，表2 為離散化超聲加工工藝參數(shù)。 試驗采用的基本加工參數(shù)為：主軸轉速 n=5000 r/min、 進給速度 F=800 mm/min、切削寬度ae=2 mm、 切削深度ap=50μm、 超聲頻率f=19.266 kHz。

表1 微織構加工工藝參數(shù)及微織構參數(shù)

表2 離散化超聲加工工藝參數(shù)

圖1a 為氧化鋁陶瓷激光微織構加工、 離散化超聲加工現(xiàn)場。 由圖1b 所示加工前后表面對比情況可見，通過離散化超聲銑削加工后，工件表面無明顯劃痕，刀具磨損也不嚴重，說明離散化有助于實現(xiàn)大切深加工，減少刀具磨損，提高刀具耐用度。

2 結果和討論

2.1 陶瓷材料離散化大去除量超聲加工表面質量

圖2～圖5 分別是大去除量離散化氧化鋁陶瓷超聲加工表面形貌隨著進給速度、主軸轉速、切削寬度以及切削深度變化的規(guī)律。

超聲振動的施加會導致硬脆材料表面在高頻沖擊磨粒作用下發(fā)生小尺寸脆性去除且效果顯著，同時，材料離散化導致材料在沖擊作用下的應力集中，并引起凸出微織構邊緣部分塊狀脆性斷裂去除增多，且在大進給速度、高主軸轉速的條件下更加顯著。 隨著進給速度增加，微織構頂面凹坑特征現(xiàn)象增強；隨著主軸轉速增加，微織構頂面凹坑的最大深度增加，大尺度塊狀去除特征突出。

圖1 離散化超聲銑削加工現(xiàn)場及加工前后試件表面對比

無微織構時，大去除量的情況下的加工受力較大，刀具底面、側面的金剛石磨粒損傷傾向較大，加工條件不利于提高表面質量。 離散化超聲加工硬脆材料后， 離散化會導致過渡界面處的應力集中，脆性斷裂更易于在幾何界面突變處發(fā)生；微織構影響應力傳播特點，且與高頻超聲條件下磨粒運動的線速度與極大加速度共同作用， 強化材料脆斷去除，在弱化機械抗力、延長刀具壽命、提高耐用度等方面有改善作用，有利于提高材料去除率。

為發(fā)揮離散化的優(yōu)越性，本研究采用了大切深加工， 并發(fā)現(xiàn)隨著進給速度和主軸轉速的增大，表面碎化現(xiàn)象更加劇烈，且對比小去除量加工時的情況，離散化結構塊狀斷裂去除導致的邊緣破損更嚴重；主軸轉速較高時，參與切削的磨粒在一個轉動周期內的切削軌跡比低主軸轉速時短，單磨粒材料去除量較小，不同參切磨粒之間的材料去除交互作用顯著，合理的主軸轉速與進給速度匹配有助于形成良好的表面平整度，如主軸轉速為4500 r/min 時的離散化微織構加工表面更好。 在保持其他工藝參數(shù)不變的情況下，增大切削寬度，磨粒參與切削的軌跡擺線增長，切削與空切的時間比增大；隨著切削深度的增加，加工去除量增多，金剛石刀具參切磨粒承受的機械力增大， 脆性斷裂去除尺度增大，表面凹坑與崩邊出現(xiàn)概率加大，但此現(xiàn)象與其他工藝參數(shù)的交互作用會對材料去除、表面成形以及刀具磨損等產(chǎn)生綜合影響；隨著切削寬度和切削深度的增大，表面大尺度塊狀去除顯著，微織構邊緣破損趨于平緩；在大切削深度、大切削寬度的加工條件下， 刀具磨損情況相比于無離散化時顯著改善，材料離散化一定程度上改善了機械力大、刀具磨損多、表面質量差的加工問題。

圖2 大去除量離散化超聲加工表面形貌隨著進給速度變化（×1000）

圖3 大去除量離散化超聲加工表面形貌隨著主軸轉速變化（×1000）

圖4 大去除量離散化超聲加工表面形貌隨著切削寬度變化（×1000）

圖5 大去除量離散化超聲加工表面形貌隨著切削深度變化（×1000）

2.2 離散陶瓷材料部件超聲加工應用

圖6 是離散化超聲加工的模型設計、激光預制微織構、分區(qū)加工工藝策略試驗現(xiàn)場以及最終加工成形工件。 在前期研究和工藝參數(shù)優(yōu)選的基礎上，本研究首先在需加工的部位預制微織構，接著經(jīng)粗加工用離散化超聲銑削以提高效率，最后以精加工用小去除量的銑磨加工提高質量，并檢測了加工樣件不同部位的形貌特點（圖7）。檢測結果顯示：底面出現(xiàn)凹坑，邊緣可見層間切削磨粒軌跡，檢測得到的表面粗糙度為Ra1.33 μm。

圖6 加工模擬與離散化超聲加工應用

圖7 不同部位的檢測結果

3 結論

本文進行了離散化氧化鋁陶瓷旋轉超聲加工機理與工藝研究，分析了進給速度、主軸轉速、切削寬度、切削深度等工藝參數(shù)的影響規(guī)律，同時進行了典型部件的加工，得到如下結論：

（1）離散化超聲加工硬脆材料后，離散化會導致過渡界面處的應力集中，脆性斷裂更易于在幾何界面突變處發(fā)生；微織構影響應力傳播，且與高頻超聲振動磨粒運動的線速度與極大加速度共同作用，強化材料脆斷去除，在弱化機械抗力、延長刀具壽命、提高耐用度等方面有改善作用，有利于提高材料去除率。

（2）合理的主軸轉速與進給速度匹配可有助于形成良好的表面平整度。 隨著切削寬度和切削深度的增大，表面大尺度塊狀去除顯著，微織構邊緣破損趨于平緩。

（3）針對典型硬脆難加工材料功能部件，可選區(qū)預制微織構， 采用高效率離散化超聲銑削粗加工，同時結合小去除量銑磨精加工，改善加工質量，可為硬脆性難加工材料高性能加工應用提供了一種新的解決思路。