超聲輔助磨削工藝對(duì)微晶玻璃表面粗糙度的影響研究＊

詹奇云 靳 剛 閻 兵 李占杰 董慶運(yùn)

（①天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222；②天津市高速切削與精密加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222）

微晶玻璃（glass-ceramic）是一種典型的無(wú)機(jī)非金屬脆性材料，具有機(jī)械強(qiáng)度高、熱膨脹系數(shù)可調(diào)、耐腐蝕、耐磨損及熱穩(wěn)定性好等優(yōu)異特性，是航天航空、國(guó)防、醫(yī)療及工業(yè)等領(lǐng)域最廣泛應(yīng)用的光學(xué)材料。隨著制造業(yè)的快速發(fā)展，微晶玻璃的表面質(zhì)量要求越來(lái)越高，其先進(jìn)加工制造技術(shù)成為人們關(guān)心的重點(diǎn)。精密磨削加工是目前對(duì)微晶玻璃實(shí)現(xiàn)高效率、低成本的加工方法之一[1-4]，但由于微晶玻璃具有的高脆硬性，磨削中極易出現(xiàn)凹坑、表面劃傷及裂紋等缺陷從而影響其使用性能和壽命，并直接影響后續(xù)工藝和加工效率。因此，研究微晶玻璃磨削的表面粗糙度、表面形貌特征和深入探究其影響因素，對(duì)實(shí)現(xiàn)微晶玻璃的低成本、低損傷及高效率磨削加工都具有重要的指導(dǎo)意義。

近年來(lái)，諸多學(xué)者對(duì)微晶玻璃展開(kāi)了一系列的研究。高尚等[5]研究了不同砂輪粒徑對(duì)微晶玻璃磨削表面材料去除特征及表面損傷的影響規(guī)律。馬廉潔等[6]開(kāi)展了微晶玻璃陶瓷的磨削試驗(yàn)并論證其材料去除具有脆性去除、延性去除及延脆性去除3種形式。趙博[7]分析了砂輪粒度對(duì)微晶玻璃的表面粗糙度、表面形貌、表面及亞表面損傷的影響。李雄[8]通過(guò)漿料輔助超精密磨削分析工件表面質(zhì)量的影響規(guī)律。向勇等[9]利用模型可以實(shí)現(xiàn)微晶玻璃研磨加工亞表面損傷深度的預(yù)測(cè)和測(cè)量。宋瑋[10]利用二次回歸通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)方法對(duì)微晶玻璃的拋光實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了優(yōu)化并分析了加工速度、加工時(shí)間對(duì)表面粗糙度和亞表層損傷深度的影響。王雙華等[11]對(duì)微晶玻璃添加納米氧化鋁粉并對(duì)其進(jìn)行可加工性能的影響及機(jī)理研究，論證了納米氧化鋁粉可明顯提高微晶玻璃的可加工性能。周鵬[12]采用理論研究、有限元模擬和實(shí)驗(yàn)分析相結(jié)合的方式研究微晶玻璃磨削參數(shù)對(duì)工件殘余應(yīng)力的影響。田清波等[13]采用X射線衍射和掃描電子顯微鏡研究了SiO2-Al2O3-MgOF系塊狀玻璃在受壓條件下的析晶特征。Lambropoulos J C等[14]開(kāi)展微晶玻璃磨削及研磨試驗(yàn)論證了磨削出現(xiàn)的亞表面損傷小且材料去除更有效。Esmaeilzare A等[15]通過(guò)粗粒度金剛石砂輪分析了砂輪加工工藝參數(shù)對(duì)微晶玻璃表面粗糙度及亞表面微裂紋深度的影響，并建立表面粗糙度和磨削工藝參數(shù)間的數(shù)學(xué)關(guān)系式。

目前，微晶玻璃加工的試驗(yàn)研究主要集中在砂輪的磨削和超聲磨削、化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）等加工方式相關(guān)的工藝、去除與損傷機(jī)理等方面。本文將基于燒結(jié)磨頭，開(kāi)展了微晶玻璃超聲與非超聲磨削試驗(yàn)，探究磨削工藝參數(shù)（主軸轉(zhuǎn)速、磨削深度及進(jìn)給速度）和燒結(jié)磨頭粒度號(hào)差異對(duì)其表面粗糙度和表面形貌的影響規(guī)律，研究可為微晶玻璃低損傷和高效率磨削提供借鑒和參考。

1 磨削試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

本研究選用的加工試件為 40 mm×120 mm×12 mm的微晶玻璃拋光基塊，其主要成分為L(zhǎng)i2O-Al2O3-SiO2，是一種典型的脆硬性材料，脆硬材料的脆塑轉(zhuǎn)變臨界條件主要取決于其力學(xué)性能（如彈性模量、材料硬度等）及試驗(yàn)中施加的載荷，與材料尺寸大小關(guān)系甚小[16]。本文選用的微晶玻璃主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 微晶玻璃的主要性能參數(shù)

1.2 試驗(yàn)設(shè)備與方案

圖1為微晶玻璃的磨削試驗(yàn)裝置圖。試驗(yàn)是在基于工件靜止加工的S56立式加工中心（圖1a）上進(jìn)行，其行程X×Y×Z為 900 mm×500 mm×450 mm，主軸轉(zhuǎn)速為 120~12 000 r/min，磨削進(jìn)給 1~40 000 mm/min。試驗(yàn)采用的磨削方式為平面切入式磨削，微晶玻璃（圖1d）裝夾方式如圖1e所示，工件用專(zhuān)制夾具夾持再裝于工作臺(tái)的虎鉗上。試驗(yàn)的超聲振動(dòng)設(shè)備型號(hào)為UBT40-33B，其主要由超聲發(fā)射架（圖1f）、超聲發(fā)生器（圖1g）及超聲刀柄（圖1h）等組成，超聲發(fā)生器是將普通電信號(hào)轉(zhuǎn)換為高頻交流電信號(hào)的轉(zhuǎn)換裝置，而超聲發(fā)射架接收到交流電信號(hào)并產(chǎn)生振動(dòng)，最后將振動(dòng)傳遞給超聲刀柄從而實(shí)現(xiàn)刀具振動(dòng)，試驗(yàn)時(shí)打開(kāi)超聲發(fā)生器并調(diào)至相應(yīng)參數(shù)（頻率為 19 000 Hz，振幅為 3 μm）即可。試驗(yàn)?zāi)ハ鞴ぞ邽榍嚆~金屬結(jié)合劑燒結(jié)磨頭（圖1i），主體尺寸為8D×10A×8D×50L-140/170，粒度直徑為0.1 mm，單位體積分?jǐn)?shù)為 0.377 cm3，砂粒濃度為1.056 g/cm3，燒結(jié)磨頭通過(guò)超聲刀柄夾緊，并將超聲刀柄裝于機(jī)床主軸上，再將超聲發(fā)射架裝于超聲刀柄上并固定，最后將超聲發(fā)射架線路與發(fā)生器相連。

圖1 微晶玻璃磨削試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用單因素的試驗(yàn)方式，研究主軸轉(zhuǎn)速n、磨削深度h和進(jìn)給速度Vf對(duì)微晶玻璃表面粗糙度及表面形貌的影響規(guī)律，試驗(yàn)參數(shù)如表2所示。

表2 微晶玻璃單因素磨削試驗(yàn)方案

同時(shí)，為了研究不同磨頭粒度號(hào)對(duì)表面粗糙度和形貌的影響，在n=3 000 r/min、h=0.15 mm 和Vf=20 mm/min工況下分別選用了70/80#、120/140#、200/230#及325/400#這4種不同粒度號(hào)磨頭在超聲與非超聲工況下進(jìn)行磨削，磨頭相應(yīng)參數(shù)如表3所示。磨削結(jié)束后，采用接觸式表面粗糙度儀（日本）檢測(cè)微晶玻璃表面粗糙度值Ra，采用最大分辨率為 4 800（H）×3 600（V）的 VHX-1000C 型超景深顯微鏡觀測(cè)微晶玻璃表面形貌。

表3 不同燒結(jié)磨頭粒度號(hào)的參數(shù)表

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 超聲輔助磨削材料去除機(jī)理

圖2為超聲磨削微晶玻璃材料去除機(jī)理，燒結(jié)磨頭在主軸轉(zhuǎn)速與超聲頻率振動(dòng)作用下產(chǎn)生高頻沖擊力，在其端面磨粒與工件表面周期性接觸和分離時(shí)進(jìn)行材料去除。圖3為超聲磨削微晶玻璃材料去除示意圖，材料去除包括兩種形式，即塑性去除和脆性去除。主要由于磨粒嵌入材料時(shí)，工件表面隨著嵌入深度增大由開(kāi)始的彈性變形逐漸轉(zhuǎn)為塑性變形，由于塑性變形致使材料的殘余應(yīng)力產(chǎn)生徑向裂紋[17]。加上主軸旋轉(zhuǎn)及燒結(jié)磨頭的不斷進(jìn)給，端面磨粒不斷在微晶玻璃表面劃動(dòng)摩擦，從而加快了工件裂紋的擴(kuò)展[18]，還伴有橫向裂紋，從而導(dǎo)致材料有塑性去除和脆性去除兩種形式。

圖2 磨粒的擊壓材料去除機(jī)理

圖3 超聲磨削去除材料示意圖

2.2 磨削參數(shù)對(duì)微晶玻璃表面粗糙度及表面形貌的影響

（1）磨削參數(shù)對(duì)微晶玻璃表面粗糙度的影響

在不同磨削參數(shù)下，工件施加超聲磨削前后表面粗糙度值Ra的對(duì)比表4所示。

圖4所示給出了表4參數(shù)下不同主軸轉(zhuǎn)速n、磨削深度h及進(jìn)給速度Vf對(duì)微晶玻璃超聲和非超聲磨削表面粗糙度值Ra的影響規(guī)律圖。

表4 不同磨削參數(shù)磨削微晶玻璃表面粗糙度值數(shù)據(jù)對(duì)比

由圖4a可看出，非超聲與超聲工況下主軸轉(zhuǎn)速對(duì)表面粗糙度值Ra的影響規(guī)律相同，兩者表面粗糙度值Ra均隨主軸轉(zhuǎn)速增加呈現(xiàn)出先增大后減小再增大的變化趨勢(shì)。相比于非超聲磨削，超聲在不同主軸轉(zhuǎn)速n下均實(shí)現(xiàn)了表面粗糙度值Ra的顯著降低，在n=3 000 r/ min 時(shí)，表面粗糙度值最大（Ra=1.589 μm），在n=2 500 r/min 時(shí)，表面粗糙度值最?。≧a=1.026 μm）。在 2 500~4 000 r/min 中的4種轉(zhuǎn)速下，表面粗糙度值分別降低了約36.03%、14.33%、19.68%和2.03%，這表明較小主軸轉(zhuǎn)速更能體現(xiàn)超聲對(duì)表面粗糙度的提升效果。

由圖4b可看出，非超聲與超聲工況下磨削深度h對(duì)表面粗糙度值Ra的影響規(guī)律相同，表面粗糙度值Ra均隨磨削深度h增加呈現(xiàn)出先增大后減小再增大的變化趨勢(shì)，其中除了磨削深度h=0.20 mm的特殊情況外，相比于非超聲磨削，超聲磨削工況下的表面粗糙度值Ra明顯低于非超聲，在h=0.10 mm、h=0.15 mm 及h=0.25 mm 時(shí)，表面粗糙度值分別降低了約17.31%、17.99%和9.76%，這表明較小磨削深度更能體現(xiàn)超聲對(duì)表面粗糙度的提升效果。

圖4 不同磨削參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響

由圖4c可看出，無(wú)論是在超聲情況下還是非超聲情況下，兩者表面粗糙度值Ra均隨進(jìn)給速度Vf增加而變大。其中表面粗糙度最小值均出現(xiàn)在進(jìn)給速度Vf=20 mm/min時(shí)。同等情況下，超聲磨削的表面粗糙度值Ra明顯小于非超聲。在20~80 mm/min的4種轉(zhuǎn)速下，表面粗糙度值分別降低了約36.23%、17.73%、6.98%和16.21%，這表明較小進(jìn)給速度Vf更能體現(xiàn)對(duì)表面粗糙度的提升效果。

（2）磨削參數(shù)對(duì)微晶玻璃表面形貌的影響

圖5a~c給出了表2參數(shù)下不同主軸轉(zhuǎn)速n、磨削深度h及進(jìn)給速度Vf下微晶玻璃超聲和非超聲磨削表面形貌圖。由圖3a可看出，相比與超聲磨削，非超聲磨削時(shí)微晶玻璃表面出現(xiàn)凹坑與大面積崩碎等缺陷較多（如圖6），隨著主軸轉(zhuǎn)速升高，此類(lèi)情況先變少又再增多。相比非超聲，超聲情況下微晶玻璃表面出現(xiàn)凹坑、裂紋及破碎等情況較少，尤其在主軸轉(zhuǎn)速n=2 500 r/min，磨削深度h=0.15 mm，進(jìn)給速度Vf=40 mm/min時(shí)，表面損傷較少，表面較為平整，可見(jiàn)超聲磨削情況下對(duì)微晶玻璃表面質(zhì)量具有明顯提升作用。

圖5 不同磨削參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響

圖6 非超聲磨削下表面形貌圖（n=2 500 r/min ，h=0.15 mm，Vf=40 mm/min）

2.3 磨粒對(duì)微晶玻璃表面粗糙度及表面形貌的影響

（1）磨粒對(duì)微晶玻璃表面粗糙度的影響

在不同燒結(jié)磨頭粒度號(hào)下，工件施加超聲磨削前后表面粗糙度值的對(duì)比如表5所示。

表5 不同磨頭粒度號(hào)磨削微晶玻璃表面粗糙度值數(shù)據(jù)對(duì)比

圖7給出了表5參數(shù)下不同磨頭粒度號(hào)對(duì)微晶玻璃超聲與非超聲磨削表面粗糙值Ra的影響柱狀圖。由圖7可看出，除了磨頭為120/140#及325/400#的特殊情況外，相比于非超聲磨削，隨著磨粒粒徑的減小，超聲磨削微晶玻璃的表面粗糙度值明顯減小。值得關(guān)注的是：①微晶玻璃的表面粗糙度最小值Ramin均出現(xiàn)在磨頭為325/400#（磨粒粒徑最?。r(shí)，即非超聲Ramin=0.604 μm，超聲Ramin=0.812 μm；②采用200/230#磨頭磨削時(shí)，超聲與非超聲磨削的表面。

圖7 不同磨頭粒度號(hào)磨削微晶玻璃的表面粗糙度值

（2）磨粒對(duì)微晶玻璃表面形貌的影響

圖8給出了5參數(shù)下不同磨頭粒度號(hào)工況下微晶玻璃超聲與非超聲磨削表面形貌圖。由圖8可明顯看出，隨著磨粒粒徑的減小，兩工況下微晶玻璃的表面損傷逐漸減小，其表面質(zhì)量均得以逐漸改善，主要是由于隨著粒徑減小材料去除的方式由脆性去除向塑性去除逐漸過(guò)渡。相比超聲磨削，非超聲工況產(chǎn)生的表面缺陷較多，尤其粒度號(hào)70/80#（粒徑最大）磨削時(shí)表面出現(xiàn)較多凹坑及大面積表面破碎，此時(shí)去除材料的方式為脆性斷裂去除，表面粗糙度值Ra較高。在粒度號(hào)325/400#（粒徑最?。┠ハ鲿r(shí)超聲與非超聲工況下的表面質(zhì)量明顯較好，此時(shí)去除材料的方式為塑性斷裂去除，微晶玻璃表面凹坑、表面破碎等缺陷明顯減少。

基于以上分析及圖8可知，粒徑越小對(duì)微晶玻璃磨削的表面質(zhì)量越好，但整體對(duì)比看來(lái)，超聲工況下微晶玻璃的表面質(zhì)量相對(duì)較好，粗糙度值Ra較低，這表明超聲的施加及較小粒徑進(jìn)一步提高了表面質(zhì)量。

圖8 不同磨頭粒度號(hào)磨削微晶玻璃的表面形貌圖

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)微晶玻璃磨削過(guò)程中極易出現(xiàn)崩碎和裂紋等問(wèn)題，開(kāi)展了其超聲輔助磨削加工試驗(yàn)研究，探究磨削工藝參數(shù)（主軸轉(zhuǎn)速、磨削深度及進(jìn)給速度）與不同燒結(jié)磨頭粒度號(hào)對(duì)其表面粗糙度及形貌的影響規(guī)律。具體研究結(jié)論如下：

（1）分析了超聲與非超聲兩工況下磨削參數(shù)對(duì)微晶玻璃表面粗糙度及形貌的影響規(guī)律，結(jié)果表明：超聲磨削可顯著減小微晶玻璃表面粗糙度值并改善其表面形貌，粗糙度值減幅為：主軸轉(zhuǎn)速下約2.03%~36.03%，磨削深度下約9.76%~17.99%，進(jìn)給速度下約6.98%~36.23%。

（2）較小主軸轉(zhuǎn)速n、磨削深度h及進(jìn)給速度Vf下超聲磨削不僅體現(xiàn)出微晶玻璃較好的表面粗糙度，而且獲得的表面形貌較平整，可減少凹坑、崩碎及劃傷出現(xiàn)的情況，可見(jiàn)超聲工況對(duì)表面粗糙度及表面形貌均具有改善作用。

（3）較小的磨粒粒徑對(duì)微晶玻璃表面粗糙度及形貌具有改善作用。隨著磨粒粒徑減小，超聲與非超聲工況下微晶玻璃表面材料去除方式由脆性去除向塑性去除過(guò)渡，其表面損傷逐漸減少，表面粗糙度及形貌均得以逐漸改善。相比于非超聲，超聲工況微晶玻璃表面粗糙度及形貌相對(duì)較好，減少了表面出現(xiàn)劃傷、凹坑及崩碎等情況，其中采用200/230#磨頭磨削時(shí)，超聲與非超聲磨削的表面粗糙度值降幅最大（約為61.34%）。

（4）依次采用70/80#、120/140#、200/230#及325/400#這4種不同粒度號(hào)在超聲與非超聲兩工況下對(duì)微晶玻璃的磨削工藝，試驗(yàn)結(jié)果顯示在325/400#粒度號(hào)（粒徑最?。r(shí)可獲得最小的粗糙度值（非超聲磨削Ra=0.604 μm、超聲磨削Ra=0.812 μm），表面形貌較好。