碳化硅陶瓷超聲振動輔助精密磨削實驗研究

許陸昕， 李 華， 蔡曉童， 周培祥， 陳藝文

（1.蘇州科技大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 蘇州215011； 2.蘇州市精密與高效加工技術(shù)重點實驗室，江蘇 蘇州215011）

20 世紀(jì)80 年代以來，光學(xué)工程的迅猛發(fā)展需要光學(xué)系統(tǒng)能在各種復(fù)雜苛刻的環(huán)境中正常工作。碳化硅（SiC）材料熱膨脹系數(shù)低、密度低、有良好的導(dǎo)熱性、較高的比剛度和熱穩(wěn)定性，同時成本適中，開始成為近年來光學(xué)系統(tǒng)的首選材料[1]。 碳化硅是不透明的光學(xué)材料，主要用于制作反射鏡，同時SiC 也是典型的脆硬材料，需要采用金剛石砂輪進行磨削加工，目前碳化硅反射鏡在磨削階段的表面粗糙度要求不大于1 μm。用傳統(tǒng)的磨削方法加工SiC 時，SiC 主要以微裂紋擴展引起的材料脆性斷裂去除為主，磨削精度較低，表面質(zhì)量較差，后續(xù)的研磨階段工作量大，致使整個生產(chǎn)周期很長。 現(xiàn)有研究表明，超聲輔助磨削可以降低磨削力和表面粗糙度，提高工件的加工質(zhì)量[2－4]，因此脆硬光學(xué)材料的超聲輔助磨削成為了光學(xué)加工人員研究和關(guān)注的熱點。 李廈等人建立了工件振動的軸向超聲振動輔助陶瓷磨削的磨削力數(shù)學(xué)模型，指出軸向超聲振動輔助磨削的磨削力隨著砂輪線速度增大而減小，隨著磨削深度與工件進給速度的增大而增大[5]；陳海峰等人通過考慮耕犁對工件振動的超聲磨削表面的影響，改進了超聲磨削表面微觀形貌的模型[6－7]；丁凱進行了超聲振動參數(shù)與磨削參數(shù)的匹配性試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在砂輪振動方向垂直、平行于加工表面的兩種超聲輔助磨削中，隨著磨削用量的增大，超聲的效果都會降低，其中線速度的影響最為明顯[8－9]；Zhao Bo 等使用自行研發(fā)的超聲輔助橢圓振動磨削系統(tǒng)進行了陶瓷的磨削試驗，試驗研究表明超聲輔助橢圓振動磨削改變了普通磨削時的磨削機理，減小陶瓷磨削時的脆性斷裂，降低表面粗糙度，增加殘余壓應(yīng)力，形成較好的表面形貌，提高表面完整性和疲勞強度[10]。 Haoren Feng 等研究了硬質(zhì)合金盲孔和內(nèi)螺紋孔的超聲振動輔助磨削，結(jié)果表明當(dāng)超聲振幅小于4 μm 時，超聲振動輔助磨削能夠減少砂輪的磨損，延長砂輪的使用壽命，提高螺紋精度和合格率[11]。目前針對碳化硅陶瓷超聲振動輔助磨削時的表面質(zhì)量研究工作較少，本文通過磨削實驗研究主要工藝參數(shù)對軸向超聲振動輔助磨削碳化硅表面形貌、粗糙度的影響，為超聲振動輔助磨削碳化硅的工藝參數(shù)選擇提供理論與實驗依據(jù)。

1 碳化硅磨削實驗方案

以表面質(zhì)量為指標(biāo)，將垂直于磨削方向的表面粗糙度降低0.3 以下為目標(biāo)，在不同的工藝參數(shù)下，進行普通磨削和軸向超聲振動輔助磨削實驗，觀察磨削后工件的表面形貌，測量磨削后工件的表面粗糙度。

1.1 實驗系統(tǒng)

在數(shù)控精雕機上進行磨削實驗。如圖1 所示，機床主軸上裝超聲刀柄，刀柄上裝配金剛石砂輪。超聲電源根據(jù)砂輪桿伸出的長度在20～30 kHz 之間自動掃頻。 實驗中通過打開與關(guān)閉超聲波電源在超聲磨削與普通磨削之間切換。 被磨削的試件裝夾在小型平口鉗上，平口鉗固定在機床工作臺上。

圖1 磨削實驗系統(tǒng)圖

1.2 實驗條件

實驗試件為50 mm×50 mm×10 mm 的無壓燒結(jié)碳化硅（S SiC），碳化硅磨削前的表面形貌如圖2 所示，磨削前的表面粗糙度為Ra=0.4 μm。使用的磨削工具為樹脂結(jié)合劑燒結(jié)金剛石砂輪，砂輪直徑為φ12 mm，寬度為10 mm，磨粒粒度號為240#，平均粒徑為57 μm，濃度為125%。砂輪實驗前用800#的白剛玉油石修整。磨削時使用水溶性切削油進行冷卻。 如圖3（a）所示，通過多普勒激光測振儀對砂輪末段端面的諧振頻率和振幅進行檢測。如圖3（b）所示，由于砂輪末端端面與測振儀光纖頭的光束垂直，光纖頭的光斑無法聚焦在砂輪末段端面上，因此需要使用平面鏡改變光路方向，完成對砂輪末端諧振頻率與振幅的測量。 實驗中的砂輪桿伸出長度固定為20 mm，此時測得諧振率f在26 400～26 500 Hz 之間，實驗中的其他參數(shù)如表1 所列。

圖2 碳化硅磨削前形貌

圖3 砂輪振動測試現(xiàn)場

表1 碳化硅磨削實驗工藝參數(shù)列表

1.3 實驗數(shù)據(jù)測試

磨削實驗完成后先對試件進行超聲清洗，采用白光干涉儀在10 倍率下觀測試件磨削后的表面形貌。 測試時，將工件平放在測試平臺上，測試方法選為垂直掃描，通過調(diào)節(jié)工作臺角度以及鏡頭與工件間的距離找到清晰的干涉條紋，完成形貌數(shù)據(jù)采集。

采用超景深顯微鏡在200 倍率下觀測試件的表面形貌，在明顯的劃痕處用1 500 倍鏡頭放大，并測量劃痕的尺寸，然后應(yīng)用超景深軟件的深度合成功能觀察劃痕及附近局部區(qū)域的三維形貌。

通過DektakXT 臺階儀分別沿平行、垂直于磨削方向測量試件表面粗糙度，取樣長度設(shè)為0.8 mm，評定長度設(shè)為4 mm。

2 實驗結(jié)果討論

2.1 表面形貌分析

圖4 為超景深下的碳化硅普通磨削后放大200 倍的的表面形貌，實驗條件為：vs=3.77 m/s，fw=1 000 mm/min，ap=0.01 mm。 可以看到普通磨削后的碳化硅表面是由相互平行、粗細(xì)不一的直線溝槽組成的。 圖5 為相同放大倍率、相同條件下超聲振動輔助磨削的表面形貌，可以看到磨削表面有個別較粗的正弦曲線形狀的溝槽，其他大部分比較均勻，粗劃痕對表面質(zhì)量影響較大，因此對深溝槽單獨在1 500 倍率下放大進行觀察，并用超景深顯微鏡軟件的測量功能測量正弦曲線溝槽的峰峰值以及波長（相鄰兩峰之間的距離），將幾組測量的結(jié)果列入表2 內(nèi)，利用公式λ=（vs+fw）/f[9]計算軸向超聲振動輔助磨削時單顆磨粒的理論波長，將計算值也列入表2 內(nèi)。 通過對比可以發(fā)現(xiàn)，這些正弦曲線溝槽的波長與同條件下的波長計算值基本一致，溝槽的峰峰值基本等于實驗條件中振幅A的兩倍， 說明曲線溝槽的軌跡與軸向超聲振動輔助磨削的單顆磨粒軌跡相同。 這是因為在軸向超聲振動下，單顆磨粒的軌跡為一條正弦曲線，較細(xì)的磨粒在工件表面刻劃留下的正弦曲線溝槽相互干涉疊加形成網(wǎng)狀，平面就較為均勻。 另一方面，由于本文使用的砂輪直徑較小，與大直徑砂輪相比，在相同的線速度的下，轉(zhuǎn)速較高，因此同一顆磨粒在一定進給距離內(nèi)反復(fù)磨削的次數(shù)很多，不斷形成刻劃的溝槽。 如圖6 所示，砂輪上的磨粒隨機分布，磨粒粗細(xì)不同，突出的高出也不同，砂輪表面存在個別較粗的磨粒，這些較粗的磨粒劃過工件表面時，工件表面時形成的溝槽深度較深，后續(xù)的磨粒無法去除，從而在工件表面留下一條深溝槽。

圖4 普通磨削表面形貌（vs=3.77 m/s）

圖5 軸向超聲振動輔助磨削表面形貌（vs=3.77 m/s，A=4.6 μm，f=26 404 Hz）

圖6 磨粒在砂輪上的分布狀態(tài)

對比圖7（a）和（b）可知，在fw=1 000 mm/min，ap=10 μm 時，vs=3.77 m/s 提升到vs=15.07 m/s 以后，溝槽的寬度變細(xì)了，這是因為線速度的增大減小了單顆磨粒的最大磨削深度，因此單顆磨粒的磨削寬度也變小[12]。

對比圖8（a）與（b），vs=3.77 m/s 提升到vs=15.07 m/s 時，軸向超聲振動輔助磨削后的表面形貌由相互平行的溝槽組成，與圖7（b）中同條件下的普通磨削表面相近。 如表2 所示，此時波長λ 從vs=3.77 m/s 時的143.41 μm 增加到573.52 μm，這說明砂輪線速度的增加使磨粒的曲線拉直，磨粒的劃痕不再呈正弦曲線狀，溝槽之間的相互干涉疊加也消失了，整個磨削表面接近于普通磨削。

粗磨粒劃出的深溝槽對表面質(zhì)量影響較大，因此用直徑較小的砂輪磨削時，砂輪的修整非常重要。 圖9是砂輪修整后在vs=3.77 m/s，fw=1 000 mm/min，ap=0.01 mm，A=4.6 μm，f=26 404 Hz 條件下，軸向超聲振動輔助磨削的表面形貌，對比圖8（b）可以看到原來明顯的深溝槽消失了，整個磨削表面比較均勻平整。

圖7 普通磨削表面形貌，fw=1 000 mm/min，ap=0.01 mm

圖8 軸向超聲振動輔助磨削表面形貌，fw=1 000 mm/min，ap=0.01 mm，A=4.6 μm，f=26 404 Hz

表2 溝槽峰峰值與波長

圖9 砂輪修整后軸向超聲振動輔助磨削表面形貌

2.2 表面粗糙度分析

圖10 為普磨削后碳化硅表面粗糙度的輪廓曲線，測量方向為垂直于磨削方向。 對比圖10（a）與（b）可以看出，當(dāng)磨削用量fw=1 000 mm/min，ap=0.01 mm 時，vs=3.77 m/s 提升到vs=15.07 m/s 以后，表面粗糙度的輪廓高度整體降低了,這是因為線速度的增加減小了單顆磨粒最大磨削，減小了表面粗糙度，提高了表面質(zhì)量。

圖11 為超聲振動輔助磨削后碳化硅表面粗糙度的輪廓曲線，測量方向為垂直于磨削方向。 對比圖10（a）與圖11（a）可以看出，在相同條件下，超聲振動輔助磨削表面粗糙度輪廓更低，同時更加密集均勻,這是因為超聲振動輔助磨削下的磨粒軌跡為相互干涉疊加的正弦曲線，從而縮小了磨粒的間隔，增加了后續(xù)磨粒對前一磨粒痕跡的重復(fù)加工次數(shù)，減小了未去除材料的大小，減小了表面粗糙度。 對比圖11（a）與圖11（b）可以看出，在工藝參數(shù)fw=1 000 mm/min，ap=0.01 mm，A=4.6 μm，f=26 404 Hz 時，vs=3.77 m/s 提升到vs=15.07 m/s 以后，表面粗糙度的輪廓雖然有所降低，但是與圖8（b）類似，輪廓線的起伏比較大，沒有vs=3.77 m/s 時均勻，這是因為線速度的增大一方面減小了單顆磨粒最大磨削深度，減小了表面粗糙度，另一方面也降低了超聲振動輔助磨削的效果，使磨粒的軌跡變得平緩，磨刃形成的溝槽接近普通磨削的平行直線。

圖10 普通磨削表面粗糙度輪廓圖，fw=1 000 mm/min，ap=0.01 mm

圖11 軸向超聲振動輔助磨削表面粗糙度輪廓圖，fw=1 000 mm/min，ap=0.01 mm，A=4.6 μm，f=26 404 Hz

如圖12 至圖15 所示，將測得的表面粗糙度值繪制成折線圖，圖中UAG 代表軸向超聲振動輔助磨削，CG 代表普通磨削，“⊥”代表垂直于磨削方向，“//”代表平行于磨削方向。 用K⊥和K//分別代表垂直于磨削方向以及平行于磨削方向的表面面粗糙度降低程度，K可以表示為K=（RaCG-RaUAG）/RaCG，其中，RaUAG代表軸向超聲振動輔助磨削時的表面粗糙度；RaCG代表普通磨削時表面粗糙度。

2.2.1 砂輪線速度對表面粗糙度的影響

從圖12（a）中可以看到，隨著vs的增大，單位時間內(nèi)參與磨削的磨刃數(shù)增加，單顆磨粒最大磨削深度減小，兩種磨削方式的表面粗糙度Ra都隨之減小。 軸向超聲振動輔助磨削的表面粗糙度Ra要低于普通磨削，垂直于磨削方向降低的程度更為明顯，這是因為軸向超聲振動輔助磨削縮小了磨粒的軸向間距，減小了殘余寬度與高度，表面質(zhì)量提高。 如圖12（b）所示，當(dāng)vs=1.88 m/s 增加到vs=15.07 m/s 時，兩種磨削方式的表面粗糙度值越來越接近，K⊥從29%降低到9%，K//從19%下降到8%，這是因為砂輪線速度的增加是磨粒超聲振動的軌跡變得平緩，減弱了超聲振動對磨削效果的影響。 在vs=15.07 m/s 時兩種磨削方式的粗糙度基本相同，此時磨粒劃過工件的時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于磨粒沿軸向振動的時間，超聲振動的效果基本消失。

2.2.2 工件進給速度對表面粗糙度的影響

圖12 砂輪線速度的影響，fw=1 000 mm/min，ap=0.01 mm，A=4.6 μm，f=26 404.7 Hz

如圖13（a）所示，fw增大，單顆磨粒最大磨削深度也最大，兩種磨削方式的表面粗糙度Ra都也增大。如圖13（b）所示與砂輪線速度類似，隨著工件進給速度從fw=375 mm/min 增加到fw=3 000 mm/min 時，K⊥從33%降低到24%，K//從20%下降到15%，這表明了fw增加雖然也會減弱軸向超聲振動輔助磨削的效果，但是與vs相比，增加fw對軸向超聲振動輔助磨削效果的影響比較小。

圖13 工件進給速度的影響，vs=3.77 m/s，ap=0.01 mm，A=4.5 μm，f=26 436.8 Hz

2.2.3 磨削深度對表面粗糙度的影響

如圖14（a）所示，磨削深度增加，單顆磨粒的最大磨削深度增大，兩種磨削方式的表面粗糙度Ra都隨著磨削深度的增大而增大。 如圖14（b）所示，當(dāng)ap=5 μm 增大到ap=35 μm，K⊥從25%增大到33%，K//從16%增大到21%。 這是因為磨削深度的增大，延長了磨粒與工件的接觸時間，磨粒在磨削時振動的次數(shù)增加，同時參與磨削磨的動態(tài)有效磨刃數(shù)增加，磨粒軌跡的相互交叉干涉加強，增加了軸向超聲振動輔助磨削的效果。

圖14 磨削深度的影響，vs=3.77 m/s，fm=1 000 mm/min，A=4.7 μm，f=26 487.1 Hz

2.2.4 超聲振幅對表面粗糙度的影響

如圖15（a）所示，隨著A=0.5 μm 增加到A=4.6 μm，加強了軸向超聲振動輔助磨削的效果，相互交叉干涉的磨粒軌跡更加密集，縮小了磨粒之間的間隔，磨削表面更加均勻，碳化硅的表面粗糙度Ra也隨之降低，K也因此降低，如圖15（b）所示，K⊥從2%增大到29%，K//從4%增大到17%。

圖15 超聲振幅的影響，vs=3.77 m/s，fm=1 000 mm/min，ap=10 μm，f=26 507.3 Hz

3 結(jié)論

（1）本研究通過分析無壓燒結(jié)碳化硅陶瓷軸向超聲輔助磨削和普通磨削的實驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)隨著砂輪線速度和振幅的增大，表面粗糙度減??；隨著工件進給速度和磨削深度的減小，表面粗糙度減小，在砂輪線速度vs=15.07 m/s，工件進給速度fw=1 000 mm/min，磨削深度ap=10 μm，超聲振幅A=4.6 μm 時軸向超聲振動輔助磨削能得到最低的表面粗糙度Ra=0.25 μm。。

（2）和普通磨削相比，軸向超聲輔助磨削無壓燒結(jié)碳化硅時的表面粗糙度更小，表面質(zhì)量更高，在砂輪線速度vs=1.88～15.07 m/s，工件進給速度fw=375～3 000 mm/min，磨削深度ap=5～35 μm，超聲振幅A=0.5～4.6 μm范圍內(nèi)，軸向超聲振動輔助磨削能夠降低垂直于磨削方向的表面粗糙度2%～33%。 隨著砂輪線速度、工件進給速度的增大以及磨削深度和振幅的減小，超聲振動的效果開始減弱，其中線速度和振幅的影響最大，工件進給速度與磨削深度的影響較小。

（3）在砂輪線速度較低的場合，軸向超聲輔助磨削能夠在相同的工藝參數(shù)下顯著降低碳化硅陶瓷磨削的表面粗糙度，提高表面質(zhì)量；在同樣的表面粗糙度要求下，軸向超聲輔助磨削可以選用更大的工件進給速度與磨削深度對碳化硅陶瓷進行加工，從而提高磨削效率。