工程陶瓷縱扭復(fù)合超聲振動(dòng)螺旋磨削制孔表面質(zhì)量研究*

林佳杰，魏 昕*，楊宇輝，汪永超,3

(1.廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006;2.東莞理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，廣東 東莞 523808；3.東源廣工大現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新研究院，廣東 河源 517583)

0 引 言

工程陶瓷等硬脆材料具有優(yōu)良的機(jī)械、化學(xué)性能，在諸多領(lǐng)域備受關(guān)注。工程上，各構(gòu)件常采用孔連接方式進(jìn)行連接。同時(shí)，隨著航天航空等技術(shù)的發(fā)展，硬脆材料盲孔類零件如軸承套、內(nèi)燃機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)中的活塞缸筒等應(yīng)用越來越廣泛，該類零部件對裝配有著較高的精度要求，孔的質(zhì)量會(huì)極大地影響裝備使用的安全性、可靠性及壽命，故對孔壁與孔底都有著較高的加工表面質(zhì)量要求。

而硬脆材料的高硬度、低斷裂韌性等特點(diǎn)加大了加工難度，采用傳統(tǒng)加工方式進(jìn)行制孔加工，容易出現(xiàn)刀具磨損、切削力大、制孔表面質(zhì)量差等問題。因此，尋求高質(zhì)量、高效率的制孔方式、匹配合適的工藝參數(shù)對工程陶瓷等硬脆材料大規(guī)模推廣應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

傳統(tǒng)制孔為半封閉式加工，切屑對表面造成二次損傷是造成表面質(zhì)量較差的重要原因之一。近年來，多位學(xué)者深入研究了螺旋銑孔加工疊層復(fù)合材料等加工機(jī)理及工藝規(guī)律[1]：相比傳統(tǒng)制孔方式，螺旋銑孔加工更有利于切屑及時(shí)排出，避免切屑對孔表面造成破壞；便于切削液進(jìn)入加工區(qū)域，改善加工環(huán)境，有效地提高表面質(zhì)量。ZHOU等人[2]對采用螺旋銑孔方式加工的孔壁表面形貌進(jìn)行了建模仿真，優(yōu)化了加工工藝，提高了孔壁質(zhì)量；TIAN等人[3]對螺旋銑削加工刀具與工件相互作用過程進(jìn)行了分析，并對不同切削刃位置的加工區(qū)域的表面形貌進(jìn)行了研究。旋轉(zhuǎn)超聲加工被公認(rèn)為高效精密加工硬脆材料的有效方法[4]。根據(jù)施加超聲振動(dòng)方向不同可分為一維縱向超聲振動(dòng)和二維縱扭超聲振動(dòng)，已有研究表明縱扭復(fù)合超聲振動(dòng)比一維縱向超聲振動(dòng)在降低切削力、提高加工質(zhì)量等方面效果更顯著[5]。劉立飛等人[6]對比了超聲振動(dòng)輔助磨削、普通磨削對表面損傷的影響情況，表明施加超聲振動(dòng)使表面損傷較少，表面損傷層較淺，有利于得到理想的表面質(zhì)量。

為解決工程陶瓷傳統(tǒng)制孔表面質(zhì)量差等問題，本文以磨代鉆，將超聲振動(dòng)與螺旋制孔方式結(jié)合，以表面粗糙度作為表面質(zhì)量的評價(jià)指標(biāo)，開展縱扭超聲振動(dòng)、一維縱向超聲振動(dòng)和普通螺旋磨削制孔對比實(shí)驗(yàn)；在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開展實(shí)驗(yàn)探究不同工藝參數(shù)對縱扭復(fù)合超聲螺旋磨削制孔表面質(zhì)量的影響規(guī)律，為工程實(shí)際應(yīng)用提供一定的參考。

1 工藝原理及表面創(chuàng)成機(jī)理分析

縱扭復(fù)合超聲振動(dòng)螺旋磨削制孔示意圖如圖1所示。

圖1 縱扭復(fù)合超聲振動(dòng)螺旋磨削制孔示意圖

圖1中，刀具中心軸與加工孔的中心軸偏離一定距離，在工件沿X軸、Y軸的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和刀具沿Z軸進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的共同作用下，刀具以一定的進(jìn)給速度沿著螺旋線運(yùn)動(dòng)；同時(shí)，對刀具施加縱扭復(fù)合超聲振動(dòng)及主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使磨粒與工件發(fā)生相互作用，實(shí)現(xiàn)材料的去除[7]。

所加工孔的直徑D為：

D=D0+2e

(1)

式中：D0—刀具外徑；e—偏心距。

根據(jù)運(yùn)動(dòng)疊加原理，刀具端面外邊緣的磨粒及側(cè)面磨粒的線速度vm可表示為：

vm=n·D+vf+2Ator·f

(2)

式中：n—主軸轉(zhuǎn)速；vf—螺旋進(jìn)給速度；Ator—扭轉(zhuǎn)超聲振幅；f—超聲振動(dòng)頻率。

而制孔的效率η可表示為：

(3)

式中：P—螺距。

磨粒切削線速度、切削效率將會(huì)影響到材料的去除及加工質(zhì)量，因此有必要提前了解各工藝參數(shù)與線切削速度、加工效率的關(guān)系，以便更合理分析發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)規(guī)律。

在制孔過程中，將形成孔壁和孔底兩個(gè)表面，兩者的形成均與材料去除機(jī)理密切相關(guān)。由于硬脆材料具有高硬度、低斷裂韌性等特點(diǎn)，不宜采用過大的螺距進(jìn)行加工，材料的去除主要是由刀具端面磨粒實(shí)現(xiàn)的。

孔底表面的形成主要是由刀具端面磨粒對材料去除引起的。在超聲振動(dòng)作用下，磨粒先以塑性去除方式對材料進(jìn)行切削，當(dāng)磨粒切削深度達(dá)到臨界切削深度時(shí)，以脆性斷裂方式實(shí)現(xiàn)材料去除。

硬脆材料的去除模式有塑性去除和脆性去除兩種，并以脆性去除模式為主。在脆性去除模式下，磨粒劃擦材料引起側(cè)向裂紋成核擴(kuò)展，裂紋擴(kuò)展至表面時(shí)材料將被去除而留下斷裂凹坑[8]，斷裂凹坑使表面質(zhì)量變差，表面粗糙度值增大。脆塑共存是超聲磨削加工創(chuàng)成孔底表面的主要方式，改變工藝參數(shù)會(huì)使材料去除方式所占的比例發(fā)生變化，從而影響表面質(zhì)量。

孔壁表面的形成既與刀具端面外端磨粒有關(guān)，也與刀具側(cè)面的磨粒有關(guān)。當(dāng)?shù)毒叨嗣嫱舛四チＲ源嘈匀コＪ角邢骺椎撞牧蠒r(shí)，所引起側(cè)向裂紋擴(kuò)展長度若大于磨粒與孔壁的距離時(shí)，將會(huì)造成孔壁亞表面損傷或形成微破碎，隨后刀具側(cè)面磨粒在超聲振動(dòng)、螺旋進(jìn)給等運(yùn)動(dòng)的作用下，對孔壁表面進(jìn)行多次微切削[9]，逐漸磨耗、修整孔壁表面材料，最終形成孔壁表面。

2 實(shí)驗(yàn)條件及方案

本次實(shí)驗(yàn)所使用的超聲機(jī)床及檢測儀器如圖2所示。

圖2 超聲機(jī)床及檢測儀器

從圖2中可以看到，縱扭超聲刀柄變幅桿上存在斜槽，其作用為將部分縱向超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)化為扭轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)縱扭共振[10]。

超聲振幅通過設(shè)置超聲能量百分比進(jìn)行調(diào)節(jié)，超聲頻率約為21.7 kHz，超聲能量百分比30%、40%、50%、60%、70%對應(yīng)的縱向超聲振幅約為2.5 μm、3.1 μm、3.8 μm、4.8 μm和6 μm，縱扭比約為3 ∶1。

更換一維縱向超聲刀柄可實(shí)現(xiàn)縱向超聲振動(dòng)磨削加工，關(guān)閉超聲振動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)普通磨削加工。

所用工件材料氧化鋯陶瓷的維氏硬度為11.5 GPa，彈性模量為210 GPa,泊松比為0.22～0.23，斷裂韌性為8.0 MPa·m1/2，工件尺寸為30 mm×30 mm×5 mm。采用外徑4 mm，內(nèi)徑2 mm，磨粒粒度為180目的中空電鍍金剛石刀具進(jìn)行螺旋磨削制孔。

當(dāng)加工至指定深度，刀具沿Z軸的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)停止，刀具在工件沿X軸、Y軸的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)共同作用下對孔底繼續(xù)進(jìn)行切削，可將盲孔孔底加工為平面。采用外加切削液方式進(jìn)行冷卻。

為探究施加縱扭超聲振動(dòng)后超聲振幅、螺距、主軸轉(zhuǎn)速、螺旋進(jìn)給速度等工藝參數(shù)對孔底和孔壁表面粗糙度的影響規(guī)律，本文進(jìn)行了單因素實(shí)驗(yàn)。

單因素實(shí)驗(yàn)變量如表1所示。

表1 單因素實(shí)驗(yàn)變量

為了能夠在不同儀器下對孔底和孔壁表面粗糙度進(jìn)行觀測，每組相同工藝參數(shù)的實(shí)驗(yàn)分別加工出深度為5 mm和0.2 mm的孔。

實(shí)驗(yàn)后，筆者對樣件進(jìn)行超聲清洗10 min，然后采用白光干涉儀和馬爾表面輪廓儀分別對孔底和孔壁的表面粗糙度進(jìn)行測量，每個(gè)樣件測3個(gè)點(diǎn)并取平均值。

3 結(jié)果與討論

前期試驗(yàn)中，對比了不同主軸轉(zhuǎn)速下縱扭超聲、一維縱向超聲和普通螺旋磨削制孔加工對孔壁和孔底表面粗糙度的影響情況。

孔底表面質(zhì)量對比實(shí)驗(yàn)的工藝參數(shù)為：

超聲振幅3.8 μm，螺距4 μm，螺旋進(jìn)給速度625 mm/min，偏心距1 mm，刀具外徑為6 mm，磨粒粒度為250目。

孔壁表面質(zhì)量對比實(shí)驗(yàn)的工藝條件為：

超聲振幅3.8 μm，螺距3.5 μm，螺旋進(jìn)給速度750 mm/min，偏心距1 mm，刀具外徑為4 mm，磨粒粒度為180目。

不同轉(zhuǎn)速下加工方式對孔表面質(zhì)量的影響如圖3所示。

圖3所示的試驗(yàn)結(jié)果表明：

圖3 不同轉(zhuǎn)速下加工方式對孔表面質(zhì)量的影響

(1)相比普通加工和一維縱向超聲加工，縱扭復(fù)合超聲振動(dòng)加工孔壁表面粗糙度降低幅度為8.0%～49.6%；

(2)孔底表面粗糙度降低幅度為17.9%～29.8%。

由此可見，縱扭復(fù)合超聲加工有利于降低孔底和孔壁的表面粗糙度，提高制孔表面質(zhì)量，將可能成為一種更有效的制孔方式。

因此，進(jìn)一步探究縱扭超聲振動(dòng)加工工藝參數(shù)對孔壁和孔底表面質(zhì)量的影響規(guī)律十分必要。

3.1 超聲振幅對孔底和孔壁表面粗糙度的影響

超聲振幅對孔壁和孔底表面粗糙度的影響如圖4所示。

圖4所示的結(jié)果表明：

圖4 超聲振幅對孔底和孔壁表面粗糙度的影響

(1)超聲振幅對孔底和孔壁表面粗糙度的影響趨勢相似；

(2)隨著超聲振幅增大，孔壁和孔底表面粗糙度均逐漸減小。

造成孔底表面粗糙度變化的原因主要是因?yàn)樵龃蟪曊穹?，材料脆塑轉(zhuǎn)變臨界深度增大[11]，從而提高材料塑性去除的比例；同時(shí)，一個(gè)周期內(nèi)磨粒與工件材料的分離時(shí)間占比增大，更有利于切屑排出及切削液進(jìn)入加工區(qū)

域改善加工環(huán)境。因此，孔底的表面質(zhì)量得到提高。

而造成孔壁表面粗糙度變化的原因主要是提高超聲振幅。一方面孔底塑性去除比例提高，降低了刀具端面邊緣磨粒切削誘導(dǎo)微裂紋擴(kuò)展至孔壁表面的可能性；另一方面，增大了側(cè)面磨粒與工件材料接觸的軌跡長度及切削區(qū)域，增大了側(cè)面磨粒切削工件材料的瞬時(shí)速度[12]，在材料去除率相同的情況下，側(cè)面磨粒的切削深度將減小，有利于提高孔壁的表面質(zhì)量。

同時(shí)，通過圖4還可發(fā)現(xiàn)，相同工藝條件下，孔底表面粗糙度大于孔壁表面粗糙度；選取較大超聲振幅有利于縮小兩者的差距。

3.2 螺距對孔底和孔壁表面粗糙度的影響

螺距對孔底和孔壁表面粗糙度的影響如圖5所示。

圖5 螺距對孔底和孔壁表面粗糙度的影響

圖5所示的結(jié)果表明：

(1)螺距對孔底和孔壁表面粗糙度的影響趨勢相似；

(2)隨著螺距增大，孔底和孔壁表面粗糙度值均呈現(xiàn)增大趨勢。

根據(jù)式(3)可知，螺距增大，材料的去除效率提高，刀具端面單顆磨粒的最大未變形切削厚度增加，當(dāng)切削深度超過臨界深度時(shí)，脆性斷裂所占比例增大，表面破碎和斷裂凹坑增多，而若螺距進(jìn)一步增大，加工方式趨向于普通磨削加工，從而使孔底表面粗糙度增大。同時(shí)，單顆磨粒的最大未變形切削厚度增大將使磨粒的切削力增大，而側(cè)向裂紋擴(kuò)展的長度與切削力成正比[13]，因此促進(jìn)了側(cè)向裂紋擴(kuò)展，增大了發(fā)生刀具端面外側(cè)磨粒劃擦工件誘導(dǎo)微裂紋損傷孔壁表面的可能性。被損傷的孔壁表面隨后在側(cè)面磨粒的多次切削、撕扯下，材料更容易以斷裂的形式去除，從而使孔壁的表面質(zhì)量變差。

另外，從圖5中還可知，孔底表面粗糙度大于孔壁表面粗糙度；螺距為2.5 μm～3.8 μm之間時(shí)，螺距的變化對孔壁表面粗糙度的影響較小。

3.3 主軸轉(zhuǎn)速對孔底和孔壁表面粗糙度的影響

主軸轉(zhuǎn)速對孔底和孔壁表面粗糙度的影響如圖6所示。

圖6 主軸轉(zhuǎn)速對孔底和孔壁表面粗糙度的影響

圖6所示的結(jié)果表明：

主軸轉(zhuǎn)速對孔底和孔壁表面粗糙度的影響趨勢相反。隨著主軸轉(zhuǎn)速增大，孔底表面粗糙度將逐漸減小。這是由于主軸轉(zhuǎn)速提高，即磨粒切削線速度提高，單位超聲振動(dòng)周期內(nèi)磨粒劃擦材料表面的距離變長，在材料去除率相同的情況下，單顆磨粒的最大未變形切削深度減小，降低了磨粒所受的載荷，減弱了側(cè)向裂紋成核的深度及擴(kuò)展程度，從而降低了材料破碎程度，提高了孔底的表面質(zhì)量。

相反地，孔壁表面粗糙度隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大而增大，在主軸轉(zhuǎn)速小于18 000 r/min時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速對孔壁表面粗糙度的影響較小，而主軸轉(zhuǎn)速超過18 000 r/min時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速對孔壁表面粗糙度影響較明顯。在主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到22 000 r/min時(shí)，出現(xiàn)孔壁表面粗糙度大于孔底表面粗糙度的情況。這可能是由于主軸轉(zhuǎn)速增大，加劇了刀具與扭轉(zhuǎn)方向超聲振動(dòng)的耦合作用，使刀具側(cè)面磨粒對孔壁表面的沖擊更明顯，從而使孔壁表面粗糙度增大。

3.4 螺旋進(jìn)給速度對孔底和孔壁表面粗糙度的影響

螺旋進(jìn)給速度對孔底和孔壁表面粗糙度的影響如圖7所示。

圖7 螺旋進(jìn)給速度對孔底和孔壁表面粗糙度的影響

圖7所示的結(jié)果表明：

螺旋進(jìn)給速度對孔底和孔壁表面粗糙度的影響趨勢總體上相反。隨著螺旋進(jìn)給速度增大孔底表面粗糙度先增大后減??；當(dāng)螺旋進(jìn)給速度大于875 mm/min時(shí)，提高螺旋進(jìn)給速度對降低孔底表面粗糙度的效果不明顯，可見高進(jìn)給速度下對孔底表面粗糙度的影響較小。這是由于螺旋進(jìn)給速度增大，材料去除效率提高，部分材料未被完全切除，孔底表面殘留材料過多使表面質(zhì)量變差；而當(dāng)進(jìn)給速度超過750 mm/min時(shí)，而隨著進(jìn)給速度進(jìn)一步增大，使磨粒切削線速度增大提高表面質(zhì)量的效果更顯著，從而使表面粗糙度降低。

一方面材料的去除率提高，降低了表面質(zhì)量；另一方面磨粒線切削線速度提高，提高了表面質(zhì)量。這對矛盾哪一方面起主導(dǎo)作用，決定了孔底表面粗糙度值的變化趨勢。

而孔壁表面粗糙度隨著螺旋進(jìn)給速度增大先減小后增大。這是由于增大螺旋進(jìn)給速度，單位時(shí)間內(nèi)參與切削的側(cè)面磨粒數(shù)增多，單顆磨粒的去除體積減小，有利于提高塑性去除比例；同時(shí)，側(cè)面磨粒對孔壁多次修整，殘留材料逐漸被切除，使表面質(zhì)量提高；而隨著螺旋進(jìn)給速度進(jìn)一步提高，刀具振動(dòng)劇烈，使表面質(zhì)量變差。

這與高主軸轉(zhuǎn)速情況下提高主軸轉(zhuǎn)速使表面質(zhì)量降低的原因有共通之處。

4 結(jié)束語

筆者采用超聲振動(dòng)螺旋磨削方式進(jìn)行制孔，在驗(yàn)證縱扭超聲振動(dòng)加工優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)探究了縱扭超聲振動(dòng)加工不同工藝參數(shù)對制孔表面質(zhì)量的影響規(guī)律，得到以下結(jié)論：

(1)縱扭超聲振動(dòng)加工更有利于提高制孔表面質(zhì)量。相比普通加工和一維縱向超聲加工，縱扭復(fù)合超聲振動(dòng)加工孔壁表面粗糙度降低幅度為8.0%～49.6%；孔底表面粗糙度降低幅度為17.9%～29.8%；

(2)孔壁和孔底表面的形成既有共通點(diǎn)又存在一定的差異?？椎妆砻嬷饕嵌嗣婺チＧ邢鞑牧闲纬傻?；而孔壁表面與刀具端面邊緣磨粒與材料相互作用有關(guān)，也與側(cè)面磨粒對孔壁表面材料的相互作用有關(guān)；

(3)在選取參數(shù)范圍內(nèi)，超聲振幅、螺距對孔底和孔壁表面粗糙度的影響趨勢相似。而主軸轉(zhuǎn)速及螺旋進(jìn)給速度對兩者表面粗糙度的影響趨勢總體上相反。若加工通孔，則直接以孔壁表面粗糙度的影響規(guī)律為參考進(jìn)行參數(shù)匹配。而若加工盲孔，需重點(diǎn)對影響規(guī)律相反的工藝參數(shù)進(jìn)行考慮，兼顧孔壁和孔底的表面質(zhì)量。