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轴向超声波辅助磨削工程陶瓷边界损伤实验研究 ① 赵明利， 吕晓峰， 仝攀攀， 李博涵 （河南理工大学 机械与动力工程学院，河南 焦作 ４５４０００） 摘 要 针对磨削工程陶瓷时边界处易出现损伤缺陷的问题进行了研究，建立了基于磨削参数的边界损伤预测模型。 采用单因素 法进行了磨削实验，以边界损伤深度为参考对仿真结果进行验证，结果表明，磨削深度对边界损伤影响较大；主轴转速越低，边界损 伤值越大，且随主轴转速升高边界损伤值的变化逐渐趋于平缓。 与普通磨削相比，超声波辅助磨削能有效改善被加工材料的边界 损伤情况。 关键词 陶瓷； 氧化铝陶瓷； 工程陶瓷； 磨削； 边界损伤； 超声波辅助磨削 中图分类号 ＴＧ５８文献标识码 Ａｄｏｉ１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３－６０９９．２０１８．０１．０２６ 文章编号 ０２５３－６０９９（２０１８）０１－０１０７－０４ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｅｄｇｅ Ｄａｍａｇｅ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｅｒａｍｉｃｓ ｉｎ Ａｘｉａｌ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｇｒｉｎｄｉｎｇ ＺＨＡＯ Ｍｉｎｇ⁃ｌｉ， ＬＹＵ Ｘｉａｏ⁃ｆｅｎｇ， ＴＯＮＧ Ｐａｎ⁃ｐａｎ， ＬＩ Ｂｏ⁃ｈａｎ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｈｅｎａｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｊｉａｏｚｕｏ ４５４０００， Ｈｅｎａｎ， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ａ ｄｅｆｅｃｔｉｖｅ ｄａｍａｇｅ ｉｓ ｐｒｏｎｅ ｔｏ ｏｃｃｕｒｒｉｎｇ ａｔ ｅｄｇｅｓ ｏｆ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｃｅｒａｍｉｃ ｄｕｒｉｎｇ ａ ｇｒｉｎｄｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ． Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｓｕｃｈ ｐｒｏｂｌｅｍ， ａ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｆｏｒ ｅｄｇｅ ｄａｍａｇｅ ｏｆ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｃｅｒａｍｉｃｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｇｒｉｎｄｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ． Ａ ｇｒｉｎｄｉｎｇ ｔｅｓｔ ｗａｓ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｗｉｔｈ ｓｉｎｇｌｅ ｆａｃｔｏｒ ｍｅｔｈｏｄ， ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｅｐｔｈ ｏｆ ｅｄｇｅ ｄａｍａｇｅ ａｓ ａ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔ． Ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｇｒｉｎｄｉｎｇ ｄｅｐｔｈ ｈａｄ ｂｒｏｕｇｈｔ ｇｒｅａｔｅｒ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｎ ｔｈｅ ｅｄｇｅ ｄａｍａｇｅ ａｎｄ ａ ｌｏｗｅｒ ｓｐｉｎｄｌｅ ｓｐｅｅｄ ｒｅｓｕｌｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｇｒｅａｔｅｒ ｅｄｇｅ ｄａｍａｇｅ． Ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ， ｔｈｅ ｄａｍａｇｅ ｖａｌｕｅ ｗｏｕｌｄ ｇｒａｄｕａｌｌｙ ｔｅｎｄ ｔｏ ｂｅ ｓｔｅａｄｙ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｐｉｎｄｌｅ ｓｐｅｅｄ． Ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｏｒｄｉｎａｒｙ ｇｒｉｎｄｉｎｇ， ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ａｓｓｉｓｔｅｄ ｇｒｉｎｄｉｎｇ ｃｏｕｌｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｄａｍａｇｅ ａｔ ｔｈｅ ｅｄｇｅ ｏｆ ｐｒｏｃｅｓｓｅｄ ｍａｔｅｒｉａｌｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｃｅｒａｍｉｃｓ； ａｌｕｍｉｎｕｍ ｏｘｉｄｅ ｃｅｒａｍｉｃｓ； ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｃｅｒａｍｉｃｓ； ｇｒｉｎｄｉｎｇ； ｅｄｇｅ ｄａｍａｇｅ； ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ａｓｓｉｓｔｅｄ ｇｒｉｎｄｉｎｇ 工程陶瓷是 ３ 大工程结构材料之一，具有硬度高、 耐热、耐腐蚀、耐磨、质量轻、脆性大的特点［１－３］。 陶瓷 材料的韧性值是反映其抗龟裂的一个重要指标，韧性 值越大，抗龟裂能力越强。 氧化铝陶瓷是典型的硬脆 材料，通常用 α⁃Ａｌ２Ｏ３粉为主要原料，经烧结成型制成 以 α⁃Ａｌ２Ｏ３为主晶相的陶瓷材料，其中 Ａｌ２Ｏ３含量一般 为 ７５％～９９％。 氧化铝陶瓷莫氏硬度为 ９，仅次于金刚 石，且纯度越高，硬度越高。 同时，氧化铝陶瓷断裂韧 性较小，脆性较大，在磨削加工过程中易出现龟裂破碎 现象，尤其是在切入和切出其棱边时，极易造成棱边的 崩裂和破碎，形成大小不一的凹坑［４－５］。 目前国内对 于材料边界损伤的研究较少，而对硬脆材料边界损伤 的研究更为少见。 鉴于此，本文通过预测模型分析磨 削参数对边界损伤的影响规律，进行了磨削氧化铝陶 瓷的实验验证，对实现硬脆材料高精密加工具有一定 指导意义。 １ 实 验 １．１ 实验材料及方法 表 １ 为氧化铝陶瓷材料相关性能，其中 β 是与材 料相关的系数。 为深入了解磨削参数对氧化铝陶瓷边 界损伤的影响，针对磨削深度、主轴转速和工作台进给 速度进行单因素实验。 实验中各因素对应的磨削条件 如表 ２ 所示。 ①收稿日期 ２０１７－０８－２１ 基金项目 国家自然科学基金（Ｅ５１１７５１５３） 作者简介 赵明利（１９７５－），女，河南温县人，副教授，博士，主要研究方向为难加工材料的精密加工。 第 ３８ 卷第 １ 期 ２０１８ 年 ０２ 月 矿矿 冶冶 工工 程程 ＭＩＮＩＮＧ ＡＮＤ ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｖｏｌ．３８ №１ Ｆｅｂｒｕａｒｙ ２０１８ ChaoXing 表 １ 氧化铝陶瓷参数 密度 ／ （ｇｃｍ －３ ） 硬度 ／ ＧＰａ 断裂韧性 Ｋ ／ （ＭＰａｍ－ １ ２） 杨氏模量 ／ ＧＰａ 泊松比 ν β ３．９１６．７３．３３２００．２２５．４ 表 ２ 单因素实验磨削条件 实验 序号 磨削深度 ａｐ ／ μｍ 主轴转速 ｖｓ ／ （ｒｍｉｎ －１ ） 工作台进给速度 ｖｗ ／ （ｍｓ －１ ） １１０１ ００００．０２ ２１５１ ００００．０２ ３２０１ ００００．０２ ４２５１ ００００．０２ ５１５５０００．０２ ６１５１ ５０００．０２ ７１５２ ００００．０２ ８１５１ ００００．０１ ９１５１ ００００．０３ １０１５１ ００００．０４ 实验在型号为 ＶＭＣ８５０Ｅ 的立式加工中心上进 行，加工中心的主要参数为工作台最大行程 ８５０ ｍｍ， 滑座最大行程 ５１０ ｍｍ，主轴箱最大行程 ５４０ ｍｍ，主轴 转速５０～８０００ ｒ／ ｍｉｎ，工作台进给速度１～２００００ ｍｍ／ ｍｉｎ， 可实现工件微米级磨削深度进给加工。 采用树脂结合 剂金刚石碗型砂轮（规格为 Φ１００ ｍｍ ３２ ｍｍ） 进行 磨削。 边界损伤深度值采用型号为 ＳＨ４０００Ｍ 的扫描 电镜进行测量。 为保证实验结果的准确性，每次实验 前工件都要进行 １０ 次切深为 ３ μｍ 的预精磨处理且 采用单程磨削的方式进行。 １．２ 实验模型的建立及分析 采用轴向超声波振动加工方式对磨削氧化铝陶瓷 边界损伤进行实验研究，加工示意如图 １ 所示。 由磨 削原理［６］知，磨削力由切削变形力和摩擦力两部分组 成，由于磨削过程受力的复杂性，通常以单颗磨粒为研 究对象进行分析。 在单颗磨粒切削变形力方面，轴向 超声波振动改变了磨粒运动方向和主切削方向间的夹 角，图 ２ 为单颗磨粒切削受力示意图。 vs vw A, f 砂轮 工件 图 １ 超声波辅助磨削加工示意 根据文献［７］研究成果，可以得到磨削过程中切 削变形力和摩擦力分别为 ag dFnx dFτx dFτx dFx dFr d dF X X A B O c x x 磨削方向 磨粒 磨削方向 θ ρ φ φ φ 图 ２ 单颗磨粒切削受力示意 Ｆｎｃ＝ π ２ ｖｗａｐ ｖｓ Ｆｐｂｓｉｎθｃｏｓφｃ Ｆτｃ＝ π ８ ｖｗａｐ ｖｓ Ｆｐｂｃｏｓθｃｏｓφｃ Ｆａｃ＝ π ８ ｖｗａｐ ｖｓ Ｆｐｂｃｏｓθｓｉｎφｃ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ （１） 式中 Ｆｎｃ为法向力；Ｆτｃ为切向力；Ｆａｃ为轴向力；Ｆｐ为单 位磨削力；ｂ 为砂轮的磨削宽度；θ 为磨粒的锥顶半角； φｃ为切削方向与 ｘ 轴之间的夹角 φｃ＝ ａｒｃｔａｎ ２πｆＡｃｏｓ（２πｆｔ ＋ φ０） ｖｓ ■ ■ ■ ■ ■ ■ Ｆｎｓ＝ ４Ｃｂｐ０δ ｖｗ ｖｓ ａｐ ｄｓ Ｆτｓ＝ λ（ξ） δＣｂａａｐｄｓ＋ ４Ｃｂβｐ０ ｖｗ ｖｓ ａｐ ｄｓ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ （２） 式中 Ｆｎｓ为摩擦引起的法向力；Ｆτｓ为摩擦引起的切向 力；Ｃ 为单位面积磨粒数；δ 为工件与工作磨粒的平均 接触面积；ｐ０为一常数；ｄｓ为砂轮直径；λ（ξ）为施加超 声波振动后的摩擦力与没施加振动摩擦力之比；ξ 为 物体的宏观速度与振动速度的幅值之比。 由于超声波振动的周期作用性，使得磨削力随时 间呈周期性变化，故使得式（１）中的 Ｆａｃ为 ０。 通过上 述分析可得到超声波振动辅助磨削加工的磨削力为 Ｆｎ＝ λ（ξ）ｋ１ ｖｗａｐ ｖｓ ＋ ｋ ２ ｖｗ ｖｓ ａｐ ｄｓ Ｆτ＝ λ（ξ） ｋ３ ｖｗａｐ ｖｓ ＋ ｋ ４ ｖｗ ｖｓ ａｐ ｄｓ ＋ ｋ ５ ａｐｄｓ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ （３） ８０１矿 冶 工 程第 ３８ 卷 ChaoXing 在磨削加工中，法向力是引起材料边界损伤的主 要作用力，根据文献［８－９］得到基于磨削参数的边界 损伤预测模型为 ｈ ＝ ５ （２０ － １３ν）πμλ（ξ）ｋ１ ｖｗａｐ ｖｓ ＋ ｋ ２ ｖｗ ｖｓ ａｐ ｄｓ ８（１ － ２ν）βＫ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ２ ３ （４） 式中 ｋ１，ｋ２，ｋ３，ｋ４，ｋ５均为常数；Ｋ 为材料的断裂韧性 值；ｈ 为损伤的深度，μｍ；μ 为摩擦系数；ν 为材料的泊 松比。 基于式（４）对实验中影响边界损伤的各磨削参数 进行了仿真分析，结果如图 ３ 所示。 分析可知［１０－１３］， 材料的边界损伤值随磨削深度和工作台进给速度增加 而增加，且随磨削深度值增加较为明显；而当主轴转速 较低时，损伤值较大，随着转速升高，边界损伤值逐渐 变小且趋于平缓。通过仿真可知，边界损伤值随着磨 ap/10-5 m 5 4 3 2 1 0 3 4 2 1 0 3.2 3.4 3.6 h/10-5 m K/106 vs/103 r min-1 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 10 12 8 6 4 2 0 3.2 3.4 3.6 h/10-5 m K/106 vw/m s-1 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.03 0.04 0.02 0.01 0 3.2 3.4 3.6 h/10-5 m K/106 图 ３ 磨削参数对边界损伤的影响 削深度和工作台进给速度增加而增加且磨削深度值对 边界损伤的影响更为明显。 ２ 实验结果及讨论 ２．１ 超声波振动对氧化铝陶瓷边界损伤的影响 在主轴转速 １ ５００ ｒ／ ｍｉｎ、工作台进给速度 ０．０１ ｍ／ ｓ 时，对磨削深度分别为 １０ μｍ 和 １５ μｍ 的氧化铝陶瓷 进行了普通磨削和超声波振动磨削的实验研究，结果 如图 ４ 所示。 图 ４ 施加超声波对氧化铝陶瓷边界损伤的影响 （ａ） 普通磨削，ａｐ＝１０ μｍ； （ｂ） 超声波磨削，ａｐ＝１０ μｍ； （ｃ） 普通磨削，ａｐ＝１５ μｍ； （ｄ） 超声波磨削，ａｐ＝１５ μｍ 通过对比普通磨削和超声波辅助磨削氧化铝陶瓷 的实验发现，在磨削深度一定的条件下，施加超声波辅 助更易于得到良好的边界质量。 当切削深度为 １０ μｍ 时，普通磨削时陶瓷边界出现的最大凹坑尺寸为 ３０ μｍ， 并伴有连续脱落后的浅坑，而超声波磨削棱边出现的最 大凹坑尺寸为２２．４ μｍ，相对于普通磨削降低了 ２５．３３％， 其边界破裂的损伤程度较普通磨削已有明显改善，材料 的破碎和凹坑的数量也明显低于普通磨削。 当切削深 度为 １５ μｍ 时，普通磨削过程中出现的凹坑最大尺寸达 到了 ３７ μｍ，而超声波磨削后的凹坑大小为 ２７．６ μｍ，相 对于普通磨削降低了 ２５．４％。 分析其原因，超声波激 励下使得磨粒在极短的时间内对所要加工的区域进行 反复的切除和修整，相比于普通磨削更易于得到较好 的边界质量。 ２．２ 磨削参数对氧化铝陶瓷边界损伤的影响 磨削深度、主轴转速以及工作台进给速度单因素 实验结果如图 ５ 所示，其中纵坐标为边界损伤深度 ｈ 值，横坐标为表 ２ 中各因素由小到大的实验值。 研究磨削深度对氧化铝陶瓷边界损伤时，选择主 轴转速 １ ０００ ｒ／ ｍｉｎ、工作台进给速度 ０．０２ ｍ／ ｓ 进行超 ９０１第 １ 期赵明利等 轴向超声波辅助磨削工程陶瓷边界损伤实验研究 ChaoXing 各医素对应的磨削条件 36 34 32 30 28 26 24 1234 h / μm ■ ■ ■ ■ ● ● ● ● ▲ ▲ ▲ ▲ ap vs vw ■ ● ▲ 图 ５ 各因素对损伤值的影响关系 声波辅助磨削实验，结果表明，随着磨削深度增加，边 界损伤值也不断增加，这与仿真结果一致。 分析其原 因是，增大磨削深度，砂轮和工件接触弧长增加，磨粒 的未变形切削厚度随之增加，工件的切削抗力也随之 增加，尤其是砂轮在切入工件时，对材料的边界施加了 极大的瞬时挤压力，极易引起材料的崩碎和断裂。 故 在进行磨削加工时，应在保证加工效率的前提下选择 较小的磨削深度。 研究主轴转速对氧化铝陶瓷边界损伤时，选择磨削 深度 １５ μｍ、工作台进给速度 ０．０２ ｍ／ ｓ 进行超声波辅助 磨削实验，结果表明，当主轴转速为 ５００ ｒ／ ｍｉｎ 时，边界 损伤值达到了 ３１．５ μｍ，当转速升高到 ２ ０００ ｒ／ ｍｉｎ 时损 伤深度值为 ２６．４ μｍ。 主要原因是转速低时，在相同的 超声波振动条件下，对于材料去除区的切削次数较少， 磨粒的切削厚度相对增大，磨削力增大。 随着转速增 加，一方面磨削断面积在减小，另一方面，温度升高提 高了陶瓷材料的断裂韧性。 同时，在适当范围内增加 转速，也可增强砂轮的自锐能力，改善工件的边界质 量。 从仿真结果也可以看出，当转速较低时，边界损伤 值较高，随着转速增加，损伤值逐渐降低。 研究工作台进给速度对氧化铝陶瓷边界损伤的影 响时，选择磨削深度 １５ μｍ、主轴转速 １ ０００ ｒ／ ｍｉｎ 进行 超声波辅助磨削实验，结果表明，当进给速度为 ０．０１ ｍ／ ｓ 时，进给速度相对较慢，在其他同等的条件下，单位时 间内参与磨削的金刚石颗粒增加，材料被反复地挤压 和切除，且磨削区温度较高，材料易发生变形而被切 除，因此边界质量较好。 随着进给速度不断增大，磨粒 切削厚度增加，在切入陶瓷材料的瞬时被切除，边界处 发生剥落破碎，边界质量也随之变差，在工作台进给速 度为 ０．０４ ｍ／ ｓ 时边界损伤值达到了 ３２．５ μｍ，仿真结 果也验证了这一点。表明在进行磨削加工时，不宜选 择较大的工作台进给速度。 ３ 结 论 通过建立边界损伤深度预测模型，对影响边界损 伤的 ３ 个主要因素进行了仿真和实验研究，得到下述 结论 １） 与普通磨削加工相比，超声波辅助加工可以有 效改善工件边界质量，提高棱边精度，显著减小边界 损伤。 ２） 边界损伤值随转速增加而逐渐减小。 ３） 磨削深度对边界损伤影响较大，而磨削深度过 小又可能影响加工效率，故应在保证质量的前提下选 择较大的磨削深度值。 参考文献 ［１］ Ｚｈａｎｇ Ｓ Ｊ， Ｗａｎｇ Ｓ Ｊ， Ｚｈｕ Ｚ Ｗ． Ａ ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ ｇｅｎｅｒ⁃ ａｔｉｏｎ ｉｎ ｕｌｔｒａ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ［Ｊ］． Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａ⁃ ｃｈｉｎｅ Ｔｏｏｌｓ ａｎｄ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ， ２０１５，９１７６－９５． ［２］ Ｚｈｕ Ｙ Ｍ， Ｗａｎｇ Ｇ Ｃ． Ｑｕａｌｉｔｙ ａｎｄ ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｅｄｇｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｐａｒｔｓ［Ｊ］． Ｍａｃｈｉｎｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ， ２００３，４１（５）４９－５１． ［３］ 李伯民，赵 波． 现代磨削技术［Ｍ］． 北京机械工业出版社， ２００３． ［４］ Ｇｉｌｌｉｅｓｐｉｅ Ｌ Ｋ． Ｓｔａｎｄａｒｄｓ ｆｏｒ Ｂｕｒｒｓ［Ｃ］∥Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ＩＣＰＳＦＢＴ， １９９６２３－２４． ［５］ 朱云明，王贵成． 精密零件棱边的质量及检测方法［Ｊ］． 机械制 造， ２００３，４１（４６５）４９－５１． ［６］ 任敬心，华定安． 磨削原理［Ｍ］． 北京电子工艺出版社， ２０１１． ［７］ 唐进元，周伟华，黄于林． 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