氧化鋯陶瓷微尺度磨削表面質(zhì)量試驗(yàn)研究

周云光, 田川川, 馬廉潔, 畢長(zhǎng)波

(東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院, 遼寧 沈陽(yáng) 110819)

氧化鋯陶瓷作為工程陶瓷材料的一種,憑借其低密度、耐高溫、耐腐蝕等性能在工業(yè)、軍事、航空航天領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1].伴隨著工程陶瓷材料在現(xiàn)代機(jī)械行業(yè)中的應(yīng)用,對(duì)加工后的表面質(zhì)量提出了更高的要求.但工程陶瓷的硬脆特性使其成為一種難加工材料,目前,磨削依然是主要的加工方式.磨削過(guò)程中,工件在磨削力和磨削熱的作用下會(huì)在加工表面產(chǎn)生微裂紋以及亞表面損傷,影響工件表面質(zhì)量和使用壽命.因此研究氧化鋯陶瓷材料磨削加工后的表面質(zhì)量對(duì)提高零件使用壽命以及降低加工成本等方面有著重要意義.

國(guó)內(nèi)外相關(guān)專家對(duì)氧化鋯的磨削進(jìn)行了深入研究.Rabiey等[2]采用新型混合結(jié)合劑金剛石刀具磨削氧化鋯陶瓷,發(fā)現(xiàn)最大未變形切屑厚度較小時(shí)材料以延性去除為主,獲得較好的表面質(zhì)量；Yang等[3]將氧化鋯陶瓷磨削分成4個(gè)階段,研究各個(gè)階段材料斷裂機(jī)理及表面形貌,分析了不同潤(rùn)滑條件下最大未變形切屑厚度變化情況;Ma等[4]采用激光輔助磨削氧化鋯陶瓷,發(fā)現(xiàn)相較于普通磨削,該方法更易實(shí)現(xiàn)材料的延性去除,改善氧化鋯陶瓷可加工性,獲得較好的表面質(zhì)量;Wan等[5]基于有限元方法建立了氧化鋯磨削熱-力耦合仿真模型,通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了模型的有效性,并分析磨削工藝參數(shù)對(duì)材料亞表面損傷影響;Huang等[6]研究了高速深磨條件下,氧化鋯等陶瓷材料的表面完整性和亞表面損傷;Gao等[7]建立超聲磨削納米氧化鋯表面粗糙度模型,驗(yàn)證模型的正確性以及超聲磨削加工納米陶瓷的可行性;Yang等[8]通過(guò)試驗(yàn)分析了超聲振動(dòng)磨削和普通磨削氧化鋯陶瓷的表面形貌,建立了表面粗糙度預(yù)測(cè)模型;Ma等[9]分析陶瓷材料斷裂機(jī)理,在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上建立快速點(diǎn)磨削表面粗糙度修正模型.Xiao等[10]通過(guò)研究超聲振動(dòng)側(cè)磨削技術(shù)在氧化鋯陶瓷加工中的應(yīng)用,確定了加工時(shí)脆塑轉(zhuǎn)變的臨界深度,建立了超聲振動(dòng)側(cè)磨削力模型.李頌華等[11]研究順逆磨方式下,磨削參數(shù)對(duì)氧化鋯表面粗糙度的影響.吳玉厚等[12]在干磨和濕磨兩種工作條件下,采用金剛石砂輪磨削氧化鋯陶瓷,研究了工藝參數(shù)對(duì)加工表面質(zhì)量的影響;周云光等[13]基于微磨棒磨粒突出高度為瑞利分布的假設(shè),分析并建立了牙科氧化鋯陶瓷微磨削力的模型.程軍等[14]對(duì)單晶硅等硬脆材料進(jìn)行微磨削試驗(yàn),分析了硬脆材料脆塑性轉(zhuǎn)變的臨界條件,并建立了相應(yīng)模型.

國(guó)內(nèi)外相關(guān)的研究大多數(shù)集中在氧化鋯陶瓷磨削機(jī)理以及超聲振動(dòng)輔助磨削等方面,對(duì)其微尺度磨削表面質(zhì)量的研究還相對(duì)較少.微尺度磨削主要是指采用刀具直徑小于1 mm的微磨棒對(duì)工件進(jìn)行加工從而獲得所需結(jié)構(gòu)的技術(shù)[15].與傳統(tǒng)磨削不同,微磨削具有明顯的尺寸效應(yīng).作為工程陶瓷精加工的最后一步,微磨削對(duì)產(chǎn)品的表面質(zhì)量和使用壽命起著至關(guān)重要的作用.鑒于以上情況,本文設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)對(duì)氧化鋯陶瓷材料進(jìn)行微尺度磨削,通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分析,得出了磨削參數(shù)對(duì)加工表面質(zhì)量的影響.通過(guò)單因素試驗(yàn)總結(jié)出主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、磨削深度對(duì)氧化鋯陶瓷磨削表面質(zhì)量影響規(guī)律,并分析其原因.

1 試驗(yàn)設(shè)備及材料

試驗(yàn)機(jī)床為JX-1A型精密微尺度磨削機(jī)床,如圖1a所示,其最大轉(zhuǎn)速為60 000 r/min.試驗(yàn)刀具:表層電鍍500#磨粒,磨頭直徑為 0.9 mm,刀柄直徑為3 mm的微磨棒,如圖1b所示.圖2為微磨棒的微觀形貌.測(cè)試儀器:放大倍數(shù)為500～5 000倍的日本VHX超景深顯微鏡,法國(guó)STIL公司生產(chǎn)的MICROMEASUR三維輪廓儀.試驗(yàn)材料:氧化鋯陶瓷.

圖1 精密微尺度磨削機(jī)床與刀具Fig.1 Precision micro-grinding machine and tools (a)—精密微尺度磨削機(jī)床； (b)—微磨棒.

圖2 微磨棒的微觀形貌Fig.2 Micro morphology of the micro-grinding tool

2 試驗(yàn)方案

本文首先設(shè)計(jì)了三因素五水平的正交試驗(yàn),研究了磨削參數(shù),即主軸轉(zhuǎn)速(vs)、進(jìn)給速度(vw)和磨削深度(ap)對(duì)氧化鋯微尺度磨削表面粗糙度影響的主次關(guān)系.試驗(yàn)所測(cè)得表面粗糙度值如表1所示.其次,通過(guò)單因素試驗(yàn),研究單一因素對(duì)氧化鋯微磨削表面粗糙度的影響規(guī)律.

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

氧化鋯陶瓷微磨削正交試驗(yàn)相對(duì)應(yīng)的加工表面粗糙度Ra如表1所示,為研究磨削參數(shù)對(duì)氧化鋯陶瓷微磨削表面質(zhì)量的影響程度,對(duì)表1數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析,分析結(jié)果如表2所示.在表2中Xi(i=1,2,3,4,5)為某一影響因素在同一水平下試驗(yàn)結(jié)果的均值.Xi的最大值與最小值之差即為極差.

表1 氧化鋯陶瓷微尺度磨削正交試驗(yàn)表

極差反映了某一因素的水平改變時(shí)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響程度.極差越大,說(shuō)明該因素的水平改變時(shí)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響越大,因此從表2中可以看出,對(duì)氧化鋯微尺度磨削的表面質(zhì)量而言,磨削深度影響最大,進(jìn)給速度次之,主軸轉(zhuǎn)速最小.同時(shí),同一因素下，Xi對(duì)應(yīng)的表面粗糙度值越小，加工質(zhì)量越好，結(jié)合表2中信息可以得出:vs=40 000 r/min,vw=20 μm/s,ap=3 μm的方案最優(yōu).

表2 氧化鋯陶瓷微尺度磨削表面Ra值極差分析

極差分析簡(jiǎn)單易行,但是難以對(duì)變量的影響進(jìn)行量化描述,因此,在表2分析結(jié)果的基礎(chǔ)上,對(duì)表1數(shù)據(jù)進(jìn)行F檢驗(yàn),并進(jìn)行方差分析,方差分析結(jié)果如表3所示.

對(duì)各個(gè)因素進(jìn)行顯著性檢驗(yàn),取顯著水平為0.05.查檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量F值分布表,得臨界值F0.05(4,24)=4.89.對(duì)于主軸轉(zhuǎn)速、磨削深度和進(jìn)給速度,F值均大于4.89且顯著性均小于0.05,說(shuō)明三者對(duì)氧化鋯微尺度磨削試驗(yàn)結(jié)果都有明顯影響.同時(shí)主軸轉(zhuǎn)速的顯著性數(shù)值最大,說(shuō)明三者之中主軸轉(zhuǎn)速的影響相對(duì)氧化鋯微尺度磨削表面粗糙度值影響較小,這與極差分析所得結(jié)果一致,此結(jié)果對(duì)氧化鋯微尺度磨削工藝參數(shù)的優(yōu)化具有一定的指導(dǎo)意義.

表3 氧化鋯陶瓷微尺度磨削表面Ra值方差分析

3. 2 主軸轉(zhuǎn)速對(duì)氧化鋯微磨削表面質(zhì)量的影響

圖3為氧化鋯陶瓷微磨削表面粗糙度值隨主軸轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律,其中,磨削深度ap=9 μm,進(jìn)給速度vw=120 μm/s.從圖3可以看出,隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大,氧化鋯陶瓷表面粗糙度最初呈現(xiàn)下降趨勢(shì),當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速vs=40 000 r/min時(shí),工件表面粗糙度達(dá)到最小值.隨后,主軸轉(zhuǎn)速持續(xù)增大,表面粗糙度值開(kāi)始逐漸呈上升趨勢(shì).對(duì)這種情況進(jìn)行分析:單因素試驗(yàn)中,磨削深度和進(jìn)給速度均為定值,此時(shí)主軸轉(zhuǎn)速增大,對(duì)于單顆磨粒,其線速度增大,使得最大未變形切削厚度減小.同時(shí)磨削力減小,比磨削能增大,此時(shí)氧化鋯陶瓷以塑性去除為主.在此條件下,材料的去除可以視為磨粒對(duì)工件的剪切作用,這個(gè)過(guò)程需要較大的切向力[3,16],而此時(shí)切向力較小導(dǎo)致材料的去除量減小.對(duì)于單顆磨粒,材料去除量減小意味著切屑變薄,磨粒留下的劃痕較淺.此外,主軸轉(zhuǎn)速增大也意味著單位時(shí)間內(nèi)磨粒對(duì)工件表面的磨削次數(shù)增加,磨粒留下的劃痕可以被后續(xù)磨粒磨削,減少了相鄰峰谷之間的高度差,從而降低了表面粗糙度.圖4從左至右為三維輪廓儀和超景深顯微鏡觀測(cè)的微磨削表面形貌，如圖4a所示,加工表面分布著許多長(zhǎng)而連續(xù)的劃痕.劃痕側(cè)面為塑性隆起的部分,這是因?yàn)樗苄粤鲃?dòng)在垂直于磨削方向上最大,表層材料向溝壑側(cè)面堆積形成的[12],同時(shí)表面上還有少量由微裂紋擴(kuò)展形成的凹坑,整體表面質(zhì)量較好.因此圖3中表面粗糙度值一開(kāi)始呈下降趨勢(shì)，但隨著主軸轉(zhuǎn)速的持續(xù)增大,氧化鋯陶瓷表面出現(xiàn)了大量的凹坑和連續(xù)性脆性斷裂, 原有的劃痕變短、變深,表面

圖3 微磨削表面粗糙度隨主軸轉(zhuǎn)速增大的變化規(guī)律Fig.3 Changes of surface roughness in micro-grinding with the increase of spindle speed

圖4 不同主軸轉(zhuǎn)速下的微磨削表面形貌Fig.4 Micro-grinding surface topography at different spindle speeds (a)—vs=4×104 r/min； (b)—vs=5×104 r/min.

質(zhì)量嚴(yán)重下降,如圖4b所示,意味著此時(shí)材料的去除方式以脆性去除為主.因此,對(duì)氧化鋯陶瓷微磨削而言,適當(dāng)提高主軸轉(zhuǎn)速可以改善表面質(zhì)量,但主軸轉(zhuǎn)速過(guò)高反而會(huì)對(duì)表面質(zhì)量產(chǎn)生不利影響.

3. 3 進(jìn)給速度對(duì)氧化鋯微磨削表面質(zhì)量的影響

圖5為氧化鋯陶瓷微尺度磨削表面粗糙度隨工件進(jìn)給速度增大的變化情況,其中,磨削深度ap=9 μm,主軸轉(zhuǎn)速vs=40 000 r/min.從圖5中可以看出,隨著進(jìn)給速度的增大,加工表面粗糙度值呈現(xiàn)上升趨勢(shì).圖6為不同進(jìn)給速度下工件加工后的表面形貌,圖6b與圖6a相比,三維形貌顏色明顯較深,表明圖6b的三維形貌高度差要大于圖6a.就微觀形貌而言,圖6a中磨削紋理清晰,磨粒留下的劃痕較淺且連續(xù),光滑區(qū)域占比較大.而圖6b中只能觀察到一些較短的劃痕,原有的光滑區(qū)域被脆性斷裂和凹坑取代,這是典型的脆性去除.對(duì)這種情況進(jìn)行分析:由于本次試驗(yàn)中磨削深度和主軸轉(zhuǎn)速均為定值,當(dāng)進(jìn)給速度較小時(shí),單顆磨粒的最大未變形切削厚度較小,未達(dá)到氧化鋯陶瓷脆塑轉(zhuǎn)變的臨界切深.磨粒與工件接觸時(shí)間較長(zhǎng),大部分磨削熱傳入工件,氧化鋯陶瓷的導(dǎo)熱性較差使得微磨棒與工件接觸表面由于溫升發(fā)生軟化和相變,相變產(chǎn)生的壓應(yīng)力阻礙微裂紋的擴(kuò)展,提高氧化鋯陶瓷的斷裂韌性.同時(shí),由于溫度的升高,氧化鋯陶瓷脆塑轉(zhuǎn)變的臨界深度增大[4],此時(shí)氧化鋯陶瓷以塑性去除為主.此外,進(jìn)給速度較小時(shí),微磨棒參與磨削的有效磨粒數(shù)增大,對(duì)工件表面的磨削次數(shù)增大,降低溝壑與塑性隆起之間的高度差,進(jìn)而降低表面粗糙度值.當(dāng)進(jìn)給速度增大時(shí),由于磨粒與工件的接觸時(shí)間短,磨削熱大部分由磨屑帶走,加工區(qū)域的溫升較低,材

圖5 微磨削表面粗糙度隨進(jìn)給速度增大的變化規(guī)律Fig.5 Changes of surface roughness in micro-grindingwith the increase of feed speed

料變脆,導(dǎo)致脆性去除區(qū)域占比較大.同時(shí)由于進(jìn)給速度快,單位時(shí)間內(nèi)材料的去除量增大,微磨棒對(duì)氧化鋯陶瓷工件的磨削次數(shù)減少,表面粗糙度值較大.

圖6 不同進(jìn)給速度下的微磨削表面形貌Fig.6 Micro-grinding surface topography at different feed rates (a)—vw=20 μm/s； (b)—vw=220 μm/s.

3. 4 磨削深度對(duì)氧化鋯微磨削表面質(zhì)量的影響

圖7反映了氧化鋯陶瓷微尺度磨削表面粗糙度隨磨削深度的變化情況,試驗(yàn)條件為主軸轉(zhuǎn)速vs=40 000 r/min,進(jìn)給速度vw=120 μm/s.從圖7中可以看出,隨著磨削深度的增大,氧化鋯陶瓷表面粗糙度也呈上升趨勢(shì).對(duì)比圖8中氧化鋯陶瓷微磨削后的表面形貌可以看出,當(dāng)磨削深度較小時(shí),工件的表面形貌主要是溝槽和塑性隆起,說(shuō)明此時(shí)工件以塑性去除為主,而磨削深度較大時(shí),工件表面磨削紋理變得模糊,很難觀察到塑性去除的特征,出現(xiàn)了大面積的脆性斷裂,此時(shí)材料的去除方式發(fā)生了變化,由塑性去除逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈匀コ?

圖7 微磨削表面粗糙度隨磨削深度的變化規(guī)律Fig.7 Changes of surface roughness in micro-grinding with the increase of grinding depth

對(duì)這種情況進(jìn)行分析:一般認(rèn)為,對(duì)于氧化鋯陶瓷這類典型的硬脆材料,磨削加工時(shí)材料去除方式主要有兩種,即塑性去除和脆性去除.在塑性去除模式下,材料受力發(fā)生塑性變形進(jìn)而實(shí)現(xiàn)材料的去除,而脆性去除模式主要依賴于微裂紋擴(kuò)展引發(fā)的材料斷裂.實(shí)際上,材料塑性變形所需的能量遠(yuǎn)大于材料斷裂所需的能量[17].因此在主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度一定時(shí),當(dāng)磨削深度較小時(shí),最大未變形切屑厚度未達(dá)到臨界切深,材料去除方式為塑性去除,此時(shí)微磨削力較小,而塑性變形所需能量較大,因此加工表面質(zhì)量變化不大.從圖7中可以看到，當(dāng)磨削深度從3 μm增加到9 μm時(shí),氧化鋯陶瓷表面粗糙度變化范圍不到100 nm,對(duì)比圖4a(加工參數(shù)組合對(duì)應(yīng)圖7中ap=9 μm的情況)和圖8a,可以看出二者微觀形貌并沒(méi)有明顯差異,均為塑性去除的特征.隨著磨削深度不斷增大,最大未變形切屑厚度到達(dá)臨界切深時(shí)[14,18],去除方式逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈匀コ?材料內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋,由于磨削深度的增大導(dǎo)致磨削力增大,微裂紋出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象從而不斷發(fā)生隨機(jī)方向的擴(kuò)展,導(dǎo)致材料的脆性去除.同時(shí),由于磨削深度增大,微磨棒排屑困難,大量磨屑附著在磨粒之間,微磨棒不能進(jìn)行有效的正常磨削[15].并且,對(duì)單顆磨粒而言,磨削深度增大意味著加工時(shí)所產(chǎn)生的劃痕變深,進(jìn)一步增大了加工表面微觀形貌高度差.此外,本次試驗(yàn)所用微磨棒直徑僅為0.9 mm,剛性相對(duì)較差.在磨削深度不斷增大時(shí),微磨棒尖端徑向偏移量增大[19].在以上因素的綜合作用下工件表面質(zhì)量變差, 表面粗糙度值急劇

圖8 不同磨削深度下的微磨削表面形貌Fig.8 Micro-grinding surface topography at different grinding depths (a)—ap=3 μm； (b)—ap=15 μm.

升高.從圖7中可以看出,當(dāng)磨削深度從9 μm增加到15 μm時(shí),表面粗糙度增加了近200 nm.

4 結(jié) 論

1) 磨削工藝參數(shù)對(duì)工件表面質(zhì)量的影響順序?yàn)槟ハ魃疃茸畲?進(jìn)給速度其次,主軸轉(zhuǎn)速最小.最優(yōu)工藝參數(shù)組合為主軸轉(zhuǎn)速vs=40 000 r/min,進(jìn)給速度vw=20 μm/s,磨削深度ap=3 μm.

2) 單因素試驗(yàn)結(jié)果表明:隨著進(jìn)給速度和磨削深度的增大,氧化鋯陶瓷微磨削表面粗糙度也隨之增大;隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大,氧化鋯陶瓷加工表面粗糙度呈先下降后上升的趨勢(shì).因此在氧化鋯陶瓷的實(shí)際加工中應(yīng)選取適當(dāng)?shù)闹鬏S轉(zhuǎn)速、較小的進(jìn)給速度和磨削深度，提高加工表面質(zhì)量.