液體磁性磨具光整加工氧化鋯陶瓷試驗研究*

孫金言，孫桓五,b，紀剛強，段海棟，楊冬亮

(太原理工大學 a.機械與運載工程學院;b.煤炭資源開采利用與裝備工程國家級實驗教學示范中心,太原 030024)

0 引言

氧化鋯(ZrO2)陶瓷具有高熔點、高硬度、耐磨損、化學穩(wěn)定性高，以及密度小、彈性模量高、介電常數(shù)低等優(yōu)良性能，這使得它們在航空航天、精密機械、軍事工業(yè)、生物醫(yī)學等其他領域中得到了廣泛的應用[1]。其中不乏形狀復雜的零件，包括飛行器天線罩的雨蝕頭、渦輪轉(zhuǎn)子、骨科植入物、航空發(fā)動機零部件等[2-4]，這些復雜零件中包含小圓角、窄槽、腔體內(nèi)表面等，傳統(tǒng)加工方法加工困難。隨著這些新興領域的發(fā)展，對氧化鋯陶瓷零件的表面質(zhì)量要求也越來越高，但是由于其脆性高、熔點高的材料特性導致加工后的表面會出現(xiàn)殘余應力、亞表面損傷等問題[5-6]。ZrO2機加工成型困難、表面完整性差使其開發(fā)應用進展緩慢[7]。

提高陶瓷材料的加工效率和獲得高質(zhì)量的表面近年來一直是研究的熱點。CAO等[8]利用超聲振動輔助加工陶瓷，對陶瓷材料的脆塑轉(zhuǎn)變行為進行了研究，發(fā)現(xiàn)超聲振動有助于材料的去除，但在脆塑轉(zhuǎn)變過程中磨削能量出現(xiàn)降低。王宗偉等[9]設計了一種基于旋轉(zhuǎn)超聲輔助的氧化鋯陶瓷小孔磨削加工工藝，在超聲振動條件下利用金剛石刀具對氧化鋯陶瓷小孔進行磨削加工，小孔表面質(zhì)量和殘余應力都得到較大改善，但超聲振動會減小主軸壽命和降低加工精度。MA等[10]采用非傳統(tǒng)混合激光輔助研磨(laser assisted grinding，LAG)系統(tǒng)對氧化鋯陶瓷進行延性磨削，與常規(guī)研磨相比，LAG工藝可顯著提高材料的表面完整性，也使零件的加工效率大為提高。但激光輔助研磨過程中難免會產(chǎn)生局部高溫，導致工件的燒傷。此外，由于激光輔助造成的溫度不均勻，使得工件由表到里的材料性能不同。XU等[11]首次將非球形二氧化硅磨料用于氧化鋯陶瓷的化學機械拋光，大大提高了其機械作用，在實現(xiàn)1.9 nm的Ra的同時具有0.31 μm/h的材料去除率。梁偉等[12]利用磁力研磨技術有效地降低ZrO2材料的Ra，輪廓毛刺大大減少。CMP中使用的一些有毒藥品會對人體造成不可逆的損傷。游離磨料的光整加工難以控制法向載荷，載荷小效率低，載荷大容易出現(xiàn)亞表面損傷。

液體磁性磨具(fluid magnetic abrasives,FMA)光整加工技術作為一種柔性精密加工手段，具有如下優(yōu)良特點：適應性強、散熱性能好、加工質(zhì)量較好、工藝簡單，能適應各種不同形狀的表面，尤其適用于回轉(zhuǎn)曲面、小孔和型腔的加工[13]。在加工過程中，液體磁性磨具中的磨粒在磁場作用下壓入材料表面，同時在工件的轉(zhuǎn)動下實現(xiàn)材料的剪切去除。由于磁場作用力可調(diào)，且該力極低，磨料粒子壓入材料表面的深度較淺，不易產(chǎn)生表面和亞表面損傷，加工后表面質(zhì)量較高[14]。

因此，針對氧化鋯陶瓷復雜零件精密加工過程中存在的問題，本研究采用FMA光整加工技術對氧化鋯陶瓷進行光整加工，借助徠卡超景深顯微鏡對加工前后的三維形貌進行分析。首先配制了不同磨料的液體磁性磨具，研究了磨料種類對氧化鋯陶瓷光整加工性能的影響規(guī)律，然后采用單因素試驗研究了工件轉(zhuǎn)速、磁感應強度、加工時間和復合運動速度等工藝參數(shù)對光整加工效果的影響規(guī)律，并對表面粗糙度Ra和材料去除率MRR進行分析。

1 FMA光整加工機理及加工裝置

1.1 FMA光整加工的工作機理

FMA是將適當比例的磁性顆粒、非磁性磨料顆粒、表面活性劑、分散劑及防銹劑等分散到基液中形成的一種具有精密光整加工能力的柔性磨具。FMA光整加工技術的工作原理如圖1所示，在未施加磁場時FMA具有良好的流動性，施加磁場后磨具中的磁性顆粒呈現(xiàn)為聚合鏈狀排列，沿磁感線排布于試樣表面。磨具中的磨料顆粒分布在磁鏈中，并在磁鏈的作用下產(chǎn)生相對試樣表面的法向力。同時，在試樣回轉(zhuǎn)及法向往復運動的過程中，磨料與試樣表面發(fā)生復雜的相對運動，材料在“梨溝效應”[15]的作用下被去除[16]。

圖1 FMA光整加工工作原理圖

Preston公式作為材料去除的一個經(jīng)典公式，對FMA加工技術也同樣適用，由于液體磁性磨具加工作用主要依靠其剪切力，因此材料去除率的公式可以改為[13]：

(1)

其中，MRR為材料去除率；K為材料去除系數(shù)，與磨具的多種參數(shù)有關，該系數(shù)一般需要通過實驗獲得；τ為剪切應力；f為摩擦系數(shù)；ds/dt為磨具與加工試樣相對運動的速度。

由式(1)分析可知材料去除率與工件所受切應力和相對運動速度成正比，F(xiàn)MA加工中的切應力來源于鐵粉被磁化后的磁力，相對運動的實現(xiàn)則是依靠機床主軸的旋轉(zhuǎn)，因此磨具與工件相接觸位置的磁感應強度(以下簡稱為磁感應強度)與工件轉(zhuǎn)速是影響材料去除率最重要的兩個因素。在光整加工過程中，如果沒有軸向復合運動的存在，加工后的材料表面會出現(xiàn)平行的環(huán)形條紋，從而降低零件的表面粗糙度[17]，軸向運動速度極大地影響著加工后的表面質(zhì)量。材料去除量隨著時間的增大而增大，表面質(zhì)量也隨之變化，加工時間也是影響加工效果非常重要的一個因素。綜上可知：加工時間、工件轉(zhuǎn)速、磁感應強度以及復合運動速度是影響FMA光整加工材料去除率和表面粗糙度最主要的因素。

1.2 加工裝置

自主研發(fā)的FMA光整加工裝置如圖2所示，工件通過機床卡頭固定在小型數(shù)控鉆銑床的主軸上，通過調(diào)節(jié)機床驅(qū)動主軸產(chǎn)生回轉(zhuǎn)運動和沿軸線的往復運動。電磁鐵安裝在機床導軌上，通過控制直流電源來施加外部磁場，在磁場的作用下FMA發(fā)生相變，獲得極大的剪切力以對零件進行加工。

圖2 FMA光整加工實驗裝置圖

2 試驗條件和測試方法

配置不同磨料的磨具，采用自制的FMA光整加工裝置進行了一系列的試驗，分析FMA加工氧化鋯陶瓷過程中不同工藝參數(shù)對試樣表面粗糙度和材料去除率的影響。

2.1 磨具制備

本試驗中采用的FMA由基液、鐵磁性微粒、表面添加劑、磨料微粒等組成，各成分配比如表1所示。

表1 FMA各成分配比

2.2 試樣

FMA作為一種柔性拋光方式，對回轉(zhuǎn)曲面零件的拋光有較大優(yōu)勢，為了研究加工工藝參數(shù)對加工效果的影響規(guī)律、簡化試驗，本文選擇氧化鋯圓柱棒作為加工試樣進行加工，其材料的主要性能參數(shù)見表2。該試樣是由ZrO2粉體熱壓燒結(jié)后，經(jīng)過金剛石砂輪粗磨得到的。試樣的尺寸為φ10 mm×100 mm，其初始的表面粗糙度Ra為1.5～2 μm，且在顯微鏡的觀察下表面存在大量微峰和低谷。

表2 試樣主要性能參數(shù)

2.3 試驗設計

為了研究不同工藝參數(shù)對試樣Ra和MRR的影響規(guī)律，設計了4組單因素試驗，每組試驗條件詳情如表3所示。4組試驗分別研究了加工時間、工件轉(zhuǎn)速、磁感應強度和軸向運動速度對氧化鋯陶瓷加工效果的影響，間隔增量分別為15 min、500 r/min、20 mT、30 mm/min。

表3 試驗條件

2.4 測試方法

采用Mahr-MarSurf M400表面粗糙度測試儀測量工件光整加工前后的表面粗糙度。沿工件一周平均選取10個測量位置，表面粗糙度Ra取10個位置的平均值。采用DM6M徠卡超景深顯微鏡觀察加工前后的表面形貌。MRR的計算公式如下：

其中，MRR為材料去除率；m1為加工前的質(zhì)量；m2為加工后的質(zhì)量；t為加工時間。

3 結(jié)果與討論

3.1 磨料種類對MRR和Ra的影響

為了研究不同磨料的添加對FMA光整加工Ra和MRR的影響規(guī)律，分別使用SiC、B4C、金剛石微粉三種磨料配置的FMA進行了加工試驗，磨料粒徑均為2.5 μm，加工過程的所有工藝參數(shù)條件均保持一致。

由不同磨料的加工效果如圖3～圖5所示，盡管這三種磨具有著不同的加工效果，但是氧化鋯陶瓷表面的粗糙度Ra都有不同程度的降低。低硬度的碳化硅磨料表面去除率極低只能去除氧化鋯陶瓷表面少量微峰，碳化硼與金剛石微粉的加工效果明顯強于碳化硅磨料。硬度最高的金剛石磨料在精加工過程中對材料表面產(chǎn)生的機械作用最強，具有比其他磨料更高的材料去除率，加工相同時間后能獲得更好的表面質(zhì)量。碳化硼磨料的材料去除率比金剛石微粉要小10%，但仍能獲得超光滑的表面。金剛石微粉的價格昂貴，考慮到經(jīng)濟性的影響，碳化硼為后續(xù)參數(shù)試驗最佳的磨料選擇。

圖3 不同磨料的材料去除率

圖4 不同磨料的表面粗糙度

(a)碳化硅

3.2 加工時間對Ra的影響

工件加工150 min表面粗糙度Ra隨時間的變化曲線如圖6所示。可以發(fā)現(xiàn)，Ra值一開始下降的速率非?？?，隨著加工時間的延長變化率慢慢減小，最后在同一數(shù)值附近波動。工件加工前期，由于表面微型起伏較大，表面原有的凹凸不平微結(jié)構(gòu)較多，磨粒與工件表面犁削作用明顯，Ra值因而大幅下降。加工30 min后表面的Ra值由初始的1.935 μm迅速下降至0.373 μm。經(jīng)過前30 min的拋光，工件表面原有的凸起結(jié)構(gòu)被加工去除，表面質(zhì)量大幅降低。繼續(xù)加工，工件與磨粒之間的阻力減小，機械犁削作用減弱，故Ra的變化率大幅減小。加工60 min后工件Ra達到最小值0.07 μm附近，隨著加工時間的進一步增加Ra值基本保持不變。

圖6 不同加工時間的表面粗糙度

3.3 工件轉(zhuǎn)速對MRR和Ra的影響

工件轉(zhuǎn)速對加工效果的影響如圖7所示，加工后工件表面的Ra隨工件轉(zhuǎn)速的增大而減小，但工件轉(zhuǎn)速的增大對Ra的降低有極限作用，在工件轉(zhuǎn)速為2000 r/min以上時,Ra值基本保持在0.07 μm左右。轉(zhuǎn)速太高Ra甚至會發(fā)生降低，這可能是因為隨著轉(zhuǎn)速過大帶來的微小振動會使得加工的均勻性不一致，導致表面質(zhì)量發(fā)生降低。

圖7 不同轉(zhuǎn)速的加工效果

MRR在工件轉(zhuǎn)速為1000～2000 r/min范圍內(nèi)隨著工件轉(zhuǎn)速的增加而大幅提高，試樣與磨具之間的相對運動是加工作用得以實現(xiàn)的基礎，在轉(zhuǎn)速為2000 r/min時MRR達到最高值4.85 mg/min。隨著轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加，MRR不再增大甚至有所降低，這是由于轉(zhuǎn)速過高時FMA產(chǎn)生的剪切稀化作用導致的，黏度減小，剪切作用減弱[13]。失去剪切作用的FMA對磨料的夾持作用減弱，機械劃擦的頻率減小，導致加工的效率降低，在工件轉(zhuǎn)速3000 r/min時材料去除率僅為3.12 mg/min。

3.4 磁感應強度對MRR和Ra的影響

磁感應強度對加工效果的影響如圖8所示，因FMA相變產(chǎn)生的剪切作用隨磁感應強度的增大而增強，故加工后工件表面的Ra隨著磁感應強度的增大先減小后增大，試樣的MRR隨磁感應強度的增大而先增大后減小。在磁感應強度為210 mT時表面粗糙度值最低到達0.07 μm。在磁感應強度為200～220 mT的范圍內(nèi)，表面粗糙度值變化較小且保持在一個較低范圍內(nèi)，這個范圍是最適合加工的區(qū)域，可以獲得最好的表面質(zhì)量。當磁場強度高于210 mT時，材料去除率隨磁感應強度的增大而減小，這與Preston公式中材料去除率與壓力大小成正比相違背，這可能是由于磁場強度過高時，磁性微粒產(chǎn)生團聚現(xiàn)象，在靠近磁極附近聚集成塊狀，因此加工位置處的磨料數(shù)量變少[18]，機械去除作用減弱，此時不論是材料去除率還是表面質(zhì)量都有所降低?？梢姶鸥袘獜姸鹊拇笮Σ牧先コ使街械腒值影響巨大，有待進一步深入研究[16]。

圖8 不同磁感應強度的加工效果

3.5 軸向運動速度對MRR和Ra的影響

為了提高加工效率和加工的均勻性，工件不能單純的只做旋轉(zhuǎn)運動，同時也要做軸向的復合運動，這樣可以避免磨料在試樣表面產(chǎn)生的環(huán)形條紋，影響加工的效果。在加工過程中，工件旋轉(zhuǎn)和軸向運動復合形成的運動軌跡能使加工后的表面形貌更加均勻。軸向運動速度與工件轉(zhuǎn)速換算成的線速度大小相差3個數(shù)量級，所以軸向運動速度的變化遠達不到出現(xiàn)剪切稀化速度的臨界值，故如圖9所示，工件的材料去除率隨復合運動速度的增大而增大，表面粗糙度值隨軸向運動速度的增加而減小。由于液體磁性磨具的特性，軸向運動會對工件下方的磨具進行擠壓，隨著軸向運動速度的增大，這種擠壓會引起機床與磨具之間發(fā)生振動，Ra的下降速率因此變慢。

圖9 不同軸向運動速度的加工效果

圖10為在超景深電子顯微鏡下得到的加工前后的表面形貌。加工前的初始表面形貌明顯不平整，存在大量微型峰谷結(jié)構(gòu)，加工后表面僅剩少量微形凸起，磨削所產(chǎn)生的耕梨軌跡被完全去除，微峰和微谷都消失不見。標注高度從8 μm降低至4 μm，表面形貌的顏色也由紅黃相見變?yōu)榉植季鶆虻木G色，表面質(zhì)量改善顯著。

(a)加工前的表面形貌

4 結(jié)論

(1)通過三種磨料光整加工性能的試驗研究，在FMA工藝中采用金剛石微粉作為磨料可以獲得最高的材料去除率和最佳的表面質(zhì)量。Ra隨時間的增加一開始下降得很快，隨著加工時間的延長下降的趨勢逐漸平緩，在加工60 min后試樣Ra達到最小值，繼續(xù)加工Ra依然保持不變。

(2)氧化鋯加工工藝參數(shù)的單因素試驗表明，材料去除率隨著工件轉(zhuǎn)速和磁感應強度的增加先增大后減小，隨著軸向運動速度的增大而增大。加工后的Ra隨工件轉(zhuǎn)速和軸向運動速度的增大而減小，隨磁感應強度的增大先減小后增大。

(3)在磁感應強度210 mT，工件轉(zhuǎn)速2000 r/min，軸向運動速度120 mm/min的條件下，光整加工60 min后，氧化鋯陶瓷表面質(zhì)量明顯改善，粗糙度值Ra可以提高到0.07 μm的水平。采用FMA光整加工技術對氧化鋯陶瓷復雜零件的加工有著廣闊的前景。