工程陶瓷恒定進(jìn)給速度套孔加工試驗(yàn)研究

鄭 雷，秦 鵬，呂冬明，韋文東

（1.鹽城工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224051；2.機(jī)械工業(yè)教育發(fā)展中心，北京 100055）

1 引言

工程陶瓷具有高強(qiáng)度、高硬度、耐磨損、耐腐蝕等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、裝甲防護(hù)、電子通信等領(lǐng)域，但其高脆性和低斷裂韌性的特性使得加工時(shí)易產(chǎn)生表面凹坑和裂紋等缺陷[1-2]。

為提高孔加工質(zhì)量，學(xué)者對(duì)工程陶瓷的恒定壓力磨削工藝進(jìn)行了大量研究。

文獻(xiàn)[3]研究了碳化硅陶瓷的磨削制孔加工，并分析了預(yù)緊力對(duì)孔加工質(zhì)量的影響；文獻(xiàn)[4]對(duì)鉆削工藝參數(shù)進(jìn)行研究，分析了碳化硅陶瓷孔加工過(guò)程中工藝參數(shù)對(duì)刀具磨損及加工質(zhì)量的影響；文獻(xiàn)[5]對(duì)工程陶瓷及其復(fù)合構(gòu)件進(jìn)行了加工試驗(yàn)研究，分析了加工機(jī)理和材料去除方式；文獻(xiàn)[6]研究了冷卻劑種類(lèi)和濃度對(duì)鉆孔扭矩和鉆孔效率的影響，并對(duì)陶瓷加工表面的形貌和金剛石磨粒的磨損進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[7]采用三種不同類(lèi)型的鉆頭進(jìn)行孔加工試驗(yàn)，得到了鉆頭磨損狀況與鉆頭扭矩之間的密切關(guān)系。

但采用恒定壓力磨削的工藝方式，孔加工時(shí)間不確定、效率低，難以實(shí)現(xiàn)工程化批量生產(chǎn)。

為了提高工程陶瓷的制孔效率，國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者利用超聲加工、電火花加工和激光加工等特種加工方法進(jìn)行工程陶瓷孔加工研究。

其中，文獻(xiàn)[8]采用復(fù)頻超聲加工的方法進(jìn)行了工程陶瓷的孔加工研究，發(fā)現(xiàn)相對(duì)于傳統(tǒng)超聲加工其效率可提高3倍；文獻(xiàn)[9]研究了脆性材料旋轉(zhuǎn)超聲加工損傷的形成機(jī)理和抑制方法，構(gòu)建了確定加工參數(shù)的臨界條件和切削力模型；文獻(xiàn)[10]搭建了旁軸射流與超聲振動(dòng)輔助激光復(fù)合加工系統(tǒng)，通過(guò)不同加工條件下的對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)此方法有利于氮化硅陶瓷表面質(zhì)量的提高；文獻(xiàn)[11]針對(duì)傳統(tǒng)電解電火花復(fù)合加工硬脆絕緣材料存在的問(wèn)題，提出了一種電火花加工方法，并分析了加工過(guò)程中電極間的電壓和電流特性；文獻(xiàn)[12]將激光和介質(zhì)射流沖蝕加工相結(jié)合，進(jìn)行了激光刻蝕Al2O3陶瓷試驗(yàn)研究；文獻(xiàn)[13]提出了一種電火花銑削加工絕緣陶瓷的新工藝，研究了刀具極性、峰值電壓、刀具電極轉(zhuǎn)速和工件進(jìn)給速度對(duì)加工性能的影響。但特種加工技術(shù)只適用于微小深孔的加工，且成本高、工序繁瑣，不適合大批量生產(chǎn)。

為實(shí)現(xiàn)工程陶瓷的高效孔加工，采用專(zhuān)門(mén)研制的新型金剛石薄壁套料鉆對(duì)Al2O3工程陶瓷進(jìn)行恒定進(jìn)給速度加工試驗(yàn)研究，從孔口質(zhì)量、軸向力、孔壁表面粗糙度以及工具磨損特性等幾個(gè)方面分析了工藝可行性，為工程陶瓷的工程化批量孔加工提供參考。

2 試驗(yàn)

2.1 新型金剛石薄壁套料鉆設(shè)計(jì)

新型薄壁金剛石套料鉆，如圖1所示。由鉆頭工作部、基體頸部及基體柄部三部分組成。

圖1 鉆頭整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Integral Structure of Bit

相對(duì)于燒結(jié)和電鍍金剛石套料鉆，新型薄壁金剛石套料鉆不僅擁有優(yōu)異的鋒利度，而且能夠及時(shí)補(bǔ)充剝落的磨粒，從而可提高鉆頭的自銳性，并延長(zhǎng)其使用壽命。

套料鉆選用的金剛石品級(jí)為SMD，粒度為70/80、80/100 和100/120三種，按1：1：1的數(shù)量比混合。

鉆頭工作部設(shè)計(jì)成波浪齒形，一方面可以減少工件的材料去除量，降低單位鉆削軸向力；另一方面便于粉末狀陶瓷切屑的排出，降低加工區(qū)域的平均摩擦力。

同時(shí)，也有助于冷卻液及時(shí)進(jìn)入加工區(qū)域，不容易產(chǎn)生燒刀和打滑等不良情況。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用含量為99.5%的Al2O3工程陶瓷，厚度為10mm，密度為3.98g/cm3，維氏硬度為26GP，斷裂韌性為4.6（MPa·m1/2）。試驗(yàn)裝置，如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)裝置圖Fig.2 Diagram of Experimental Devices

機(jī)床為漢川XH715D 立式加工中心，主軸轉(zhuǎn)速最高為8000rpm，最低為60rpm。加工過(guò)程中陶瓷塊與虎鉗懸空裝夾，并使用乳化液對(duì)鉆頭進(jìn)行冷卻。鉆削軸向力可通過(guò)KISTLER 9129AA緊湊型多分量測(cè)力儀測(cè)得，利用HRsoft DW 軟件對(duì)鉆削軸向力數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取、處理和分析。

采用TR200粗糙度儀和QUANTA200型掃描電鏡來(lái)檢測(cè)鉆頭的孔壁表面粗糙度和表面形貌。本試驗(yàn)使用兩把新型薄壁金剛石套料鉆，分別為1號(hào)鉆、2號(hào)鉆。在對(duì)鉆頭進(jìn)行掃描電鏡時(shí)，為確保鉆頭樣塊的導(dǎo)電性，觀察前進(jìn)行噴金處理。

本試驗(yàn)主要考察恒定進(jìn)給速度條件下的新型金剛石薄壁套料鉆頭的加工效果，以及在加工過(guò)程中，進(jìn)給速度和主軸轉(zhuǎn)速對(duì)加工質(zhì)量（鉆削軸向力和孔壁表面粗糙度）的影響。具體試驗(yàn)參數(shù)，如表1所示。

表1 試驗(yàn)參數(shù)Tab.1 Experimental Parameters

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 恒定進(jìn)給速度加工可行性分析

恒定進(jìn)給速度加工Al2O3工程陶瓷效果圖，如圖3所示。試驗(yàn)所涉及的孔均被完全鉆透。

圖3 Al2O3工程陶瓷Fig.3 Al2O3 Engineering Ceramics

由于Al2O3工程陶瓷自身的硬脆特性，導(dǎo)致在鉆削出入口會(huì)存在不同程度的加工缺陷。但試驗(yàn)條件下鉆削出入口卻有著較好的加工質(zhì)量，如圖4（a）所示。

鉆削入口邊緣光滑且沒(méi)有明顯的裂紋及崩豁；鉆削出口，測(cè)得出口崩豁寬度最大僅為1.27mm，所以恒定進(jìn)給速度加工可以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量孔加工，如圖4（b）所示。

圖4 鉆削出入口Fig.4 Drilling Entrance and Exit

雖然試驗(yàn)所使用的1號(hào)鉆在加工180mm后損毀；但是2號(hào)鉆連續(xù)鉆削210mm后任可繼續(xù)加工。因此，恒定進(jìn)給速度磨削的方式不僅實(shí)現(xiàn)了工程陶瓷的連續(xù)制孔加工，而且也保證了孔的加工質(zhì)量，所以恒定進(jìn)給速度孔加工是可行的。

3.2 恒定進(jìn)給速度加工質(zhì)量分析

鉆削軸向力是影響孔加工質(zhì)量的重要因素，由圖5可知，鉆削軸向力隨著進(jìn)給速度和主軸轉(zhuǎn)速的提高而增大。當(dāng)進(jìn)給速度提高時(shí)，單顆磨粒的切削厚度增大從而引起鉆削軸向力的增大；而主軸轉(zhuǎn)速的提高，導(dǎo)致加工過(guò)程中散熱困難造成金剛石磨粒切削性能降低，從而使鉆削軸向力增大。

圖5 鉆削軸向力變化情況Fig.5 The Variety of Drilling Axial Force

文獻(xiàn)[14]采用恒定壓力進(jìn)給磨削的方式進(jìn)行陶瓷孔加工試驗(yàn)，其研究結(jié)果表明恒壓進(jìn)給加工的主軸轉(zhuǎn)速不宜超過(guò)900r/min，鉆壓應(yīng)在（500～750）N之間。

但在試驗(yàn)條件下恒定進(jìn)給速度加工的鉆削軸向力大小為（43.1～148.9）N，主軸轉(zhuǎn)速可達(dá)5930r/min。所以與恒壓進(jìn)給加工相比較，恒定進(jìn)給速度加工有明顯優(yōu)勢(shì)。

進(jìn)給速度的提高導(dǎo)致鉆削軸向力增大，降低了金剛石磨粒的切削性能，從而增大了加工表面粗糙度。

隨著進(jìn)給速度的提高，出口孔壁表面粗糙度整體呈增大趨勢(shì)，但粗糙度值都不大于Ra1.6（0.99～1.57）μm，如圖6所示。

圖6 出口孔壁表面粗糙度變化情況Fig.6 The Variety of Surface Roughness of Outlet Hole Wall

由于在鉆削加工的同時(shí)，鉆頭側(cè)面磨粒對(duì)已加工表面進(jìn)行修磨，使得孔壁表面光潔度得到很好的提高，導(dǎo)致主軸轉(zhuǎn)速對(duì)表面粗糙度的影響不明顯。

所以，這里研制的新型薄壁金剛石套料鉆頭可以實(shí)現(xiàn)工程陶瓷恒定進(jìn)給速度孔加工，并具有良好的加工質(zhì)量。

3.3 新型金剛石薄壁套料鉆磨損分析

當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為5931r/min、進(jìn)給速度為20mm/min時(shí)金剛石套料鉆發(fā)生損壞，如圖7（a）所示。加工21個(gè)孔后的鉆頭，加工時(shí)主軸轉(zhuǎn)速最大為4563r/min，但刀具未損傷仍可進(jìn)行鉆削加工，如圖7（b）所示。

圖7 不同加工量的鉆頭Fig.7 Bits with Different Processing Quantities

所以采用新型金剛石薄壁套料鉆進(jìn)行恒定進(jìn)給速度加工時(shí)的主軸轉(zhuǎn)速與進(jìn)給速度都不宜過(guò)大。

由于無(wú)法精確控制磨粒的露出高度，而且金剛石磨粒按粒度大小依次進(jìn)行磨削損耗，所以磨粒主要存在的四種磨損形式：局部微破碎、大面積破碎、整體斷裂和磨平，如圖8所示。

圖8 金剛石磨粒磨損形式Fig.8 Diamond Abrasive Wear Pattern

新鉆頭端面，其金剛石磨粒完整，胎體上沒(méi)有磨痕，結(jié)合劑沒(méi)有出現(xiàn)破損，如圖9（a）所示。加工部分孔后的鉆頭端面，如圖9（b）所示。可以看出，端面金剛石磨粒存在破碎、磨平和剝落等現(xiàn)象，胎體上出現(xiàn)明顯磨痕，結(jié)合劑發(fā)生破損。隨著加工的進(jìn)行，雖然金剛石磨粒不斷磨損剝落，但是也有新的磨粒出現(xiàn)，這就保證了加工的正常進(jìn)行，并提高了鉆頭使用壽命和加工效率。

圖9 鉆頭端面磨損情況Fig.9 Wear of Bit End Face

分析可知，隨著加工量的增加，新型金剛石套料鉆頭端面磨損主要以磨粒磨平、磨粒剝落以及結(jié)合劑的磨損為主。由于切削性能的減弱導(dǎo)致結(jié)合劑磨損，使得磨平的磨粒隨結(jié)合劑從鉆頭上脫落，新的金剛石磨粒露出成為切削刃，這驗(yàn)證了鉆頭擁有良好的自銳性，可提高鉆頭的使用壽命。

4 結(jié)論

（1）恒定進(jìn)給速度磨削的方式能夠?qū)崿F(xiàn)工程陶瓷孔加工，并且可以得到較高的加工質(zhì)量。鉆削軸向力在（43.1～148.9）N的范圍內(nèi)，出口孔壁表面粗糙度粗糙度值不大于Ra1.6（0.99～1.57）μm。

（2）鉆削軸向力隨著進(jìn)給速度和主軸轉(zhuǎn)速的提高而增大，出口孔壁表面粗糙度隨著進(jìn)給速度的提高而增大，但主軸轉(zhuǎn)速對(duì)表面粗糙度的影響并不明顯。所以建議采用較低的進(jìn)給速度和主軸轉(zhuǎn)速，以便獲得更好的加工質(zhì)量。

（3）加工過(guò)程中金剛石磨粒按粒度大小依次進(jìn)行磨削損耗，因此工作部端面磨粒同時(shí)存在不同的磨損形式，這就使得磨粒在較高濃度的情況下避免剝落速度過(guò)快，從而提高了鉆頭的使用壽命。

（4）新型金剛石套料鉆的端面和側(cè)面磨損形式主要以磨粒磨平、剝落和結(jié)合劑磨損為主。由于鉆頭優(yōu)良的自銳性，磨平的磨粒隨著結(jié)合劑的磨損剝落，保持鉆頭的切削性能，延長(zhǎng)了使用壽命。