超聲振動(dòng)輔助磨削完全燒結(jié)氧化鋯陶瓷牙冠的實(shí)驗(yàn)研究

鄭 侃,肖行志,廖文和

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094)

氧化鋯陶瓷以其良好的生物相容性、化學(xué)穩(wěn)定性、耐磨性以及表面光潔度，使之在口腔硬組織修復(fù)領(lǐng)域倍受青睞[1-3]。傳統(tǒng)全鋯牙的制作工藝是通過對(duì)預(yù)燒結(jié)氧化鋯瓷塊進(jìn)行高速銑削或磨削后再進(jìn)行二次燒結(jié)后獲得。由于在二次燒結(jié)過程中受成型壓力、粉體粒度、維壓時(shí)間和水分含量等因素的影響，收縮率難以精確計(jì)算[4]，實(shí)際生產(chǎn)中技工僅憑經(jīng)驗(yàn)對(duì)CAD模型進(jìn)行20%-25%的縮放，如圖1所示。石連水等[5]通過研究發(fā)現(xiàn)，材料廠家提供的參數(shù)均以沒有內(nèi)核的標(biāo)準(zhǔn)件(如正方形)測(cè)試出來的，與實(shí)際情況有明顯差別，并通過實(shí)驗(yàn)研究得出烤瓷牙冠不同部位收縮率不同。因此，為了避免氧化鋯陶瓷類牙冠因二次燒結(jié)所引起的精度誤差，最理想和便捷的途徑便是將超聲振動(dòng)輔助加工技術(shù)引入口腔修復(fù)領(lǐng)域。超聲振動(dòng)的輔助可實(shí)現(xiàn)對(duì)完全燒結(jié)氧化鋯陶瓷的直接加工，不僅避免了二次燒結(jié)過程中的體積收縮，同時(shí)縮短了病人的等待時(shí)間。

近年來，超聲振動(dòng)輔助磨削技術(shù)以其優(yōu)良的工藝效果成為脆硬材料成形加工的首選。Churi等[6-8]提出了一種超聲振動(dòng)輔助磨削陶瓷材料的去除率模型，闡明了材料去除率和加工參數(shù)之間的關(guān)系；Mohammad等[9]對(duì)不銹鋼材料進(jìn)行了超聲振動(dòng)輔助磨削實(shí)驗(yàn)，分析了主軸轉(zhuǎn)速和超聲振幅對(duì)切削力的影響規(guī)律；Gong等[10]等對(duì)比分析了超聲加工和普通金剛石磨削過程中的刀具磨損性能；Nath等[11]等對(duì)碳化硅陶瓷進(jìn)行了超聲振動(dòng)輔助磨削實(shí)驗(yàn)，分析了材料的去除機(jī)理；鄭書友等[12-13]對(duì)硬脆性材料超聲振動(dòng)輔助磨削過程中的脆塑性轉(zhuǎn)變、切削力、亞表面損傷等進(jìn)行了深入研究；張向慧等[14]對(duì)超聲振動(dòng)輔助磨削的振動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了研究，并通過有限元仿真驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性。雖然已有部分文獻(xiàn)對(duì)超聲振動(dòng)輔助磨削陶瓷和金屬合金材料的加工特性進(jìn)行了分析，但關(guān)于牙科陶瓷材料，特別是完全燒結(jié)后氧化鋯陶瓷的超聲加工技術(shù)卻鮮有報(bào)道。

圖1 傳統(tǒng)氧化鋯陶瓷牙冠的制作工藝

本文將以該材料為研究對(duì)象，采用超聲振動(dòng)輔助磨削和普通金剛石磨削兩種工藝進(jìn)行孔和平面的加工實(shí)驗(yàn)。從超聲振動(dòng)輔助磨削的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性、材料去除率、加工質(zhì)量等方面進(jìn)行深入研究，并與無超聲輔助下的普通金剛石磨削結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

1 超聲振動(dòng)輔助磨削的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性分析

目前對(duì)超聲振動(dòng)輔助磨削技術(shù)的研究大多集中在振動(dòng)和工藝參數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，而對(duì)其運(yùn)動(dòng)學(xué)原理的分析相對(duì)較少。本節(jié)主要通過對(duì)超聲振動(dòng)輔助磨削的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性進(jìn)行分析，為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)分析提供更為科學(xué)、合理的依據(jù)。本節(jié)所研究的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性均以金剛石刀具上的單顆磨粒為研究對(duì)象。超聲振動(dòng)輔助磨削中主要包含三種運(yùn)動(dòng)方式，圍繞軸向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、沿著軸向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)以及軸向的超聲振動(dòng)。由于牙冠表面的特殊形貌，僅通過超聲振動(dòng)輔助磨削孔加工難以實(shí)現(xiàn)，必須將超聲振動(dòng)輔助磨削平面(曲面)與其相結(jié)合。文獻(xiàn)[8,15]均已給出了前者的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，并進(jìn)行了深入研究。而超聲振動(dòng)輔助磨削平面的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性則更為復(fù)雜，主要是因?yàn)槠溥M(jìn)給方向和超聲振動(dòng)的方向不一致。單顆磨粒的有效切削速度由沿著徑向的進(jìn)給速度vf、刀具的旋轉(zhuǎn)速度vc以及超聲振動(dòng)的速度vu三部分合成，如圖2所示。

圖2 超聲振動(dòng)輔助磨削平面的運(yùn)動(dòng)特性及單顆磨粒的有效切削速度示意圖

(1)

圖3 超聲振動(dòng)輔助磨削平面單顆磨粒的運(yùn)動(dòng)軌跡

(2)

將式(1)代入式(2)可得：

(3)

同時(shí)，對(duì)單顆磨粒位移S(t)進(jìn)行求導(dǎo)可得其有效切削速度：

(4)

(5)

(6)

(7)

2 超聲振動(dòng)輔助磨削實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及參數(shù)設(shè)置

本次實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為采用超聲振動(dòng)輔助磨削和普通金剛石磨削完全燒結(jié)的氧化鋯陶瓷孔和平面。實(shí)驗(yàn)均在德國(guó)DMG(ULTRASONIC20linear)超聲振動(dòng)切削加工中心上完成。采用的金剛石刀具內(nèi)徑為6.5 mm，外徑為8.0mm，冷卻液為乳化液。工件為完全燒結(jié)的氧化鋯陶瓷，由秦皇島愛迪特高技術(shù)陶瓷有限公司提供，機(jī)械性能如表1所示。加工孔和平面的工件尺寸分別為：20 mm×15 mm×14 mm，30 mm×15 mm×4 mm，實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表1 完全氧化鋯陶瓷的性能指標(biāo)

表2 超聲振動(dòng)輔助磨削實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果檢測(cè)及分析

2.2.1 主軸轉(zhuǎn)速對(duì)材料去除率的影響分析

材料的去除率決定了牙冠的加工效率。雖然采用超聲振動(dòng)輔助磨削完全燒結(jié)的氧化鋯陶瓷避免了傳統(tǒng)工藝中的二次燒結(jié)，大幅度縮短了牙冠的制作周期，但其去除率仍是關(guān)注的焦點(diǎn)。以加工孔為例，對(duì)比分析兩種不同加工方式下的材料去除率，計(jì)算公式如下：

(8)

其中，r2為加工孔的外半徑，r1為內(nèi)半徑，d為加工孔的深度，如圖4所示，t為加工時(shí)間。圖5為兩種加工方式下，主軸轉(zhuǎn)速對(duì)完全燒結(jié)氧化鋯陶瓷材料去除率的影響曲線。

圖4 加工孔的尺寸示意圖

圖5 主軸轉(zhuǎn)速對(duì)兩種加工方式下的材料去除率影響曲線

從中可以看出，超聲振動(dòng)的輔助有利于提高完全燒結(jié)后氧化鋯陶瓷材料的去除率。采用普通金剛石磨削，其去除率隨主軸轉(zhuǎn)速的增大而增大。在超聲振動(dòng)的輔助下，當(dāng)轉(zhuǎn)速在2 000～5 000 r/min時(shí)去除率隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大而增大，這與Li等[16]研究低轉(zhuǎn)速情況下陶瓷基復(fù)合材料去除率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致；當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速提至5 000～8 000 r/min時(shí)，材料的去除率則呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，且在8 000 r/mi時(shí)兩種加工方式下的材料去除率基本相等。這主要是由于主軸轉(zhuǎn)速增大到某一特定的值時(shí)，超聲振動(dòng)輔助磨削過程中刀具和工件的接觸時(shí)間增大，當(dāng)增大到與普通金剛石磨削基本相同時(shí)，兩者不存在分離現(xiàn)象，因此超聲輔助的作用明顯弱化，從而使得兩種加工方式的材料去除率較為接近。另外，無論是超聲振動(dòng)輔助磨削還是普通金剛石磨削，主軸轉(zhuǎn)速對(duì)該材料的去除率影響不大。

2.2.2 主軸轉(zhuǎn)速對(duì)表面粗糙度影響分析

牙冠修復(fù)體屬?gòu)?fù)雜精密件，在完成加工后需植入人體口腔固定在損壞的殘牙基體上，因此對(duì)于其加工精度特別是表面粗糙度的要求比較高。本文采用中國(guó)生產(chǎn)的寶棱JB-5C粗糙度儀對(duì)超聲振動(dòng)輔助磨削和普通金剛石磨削平面的表面輪廓平均算術(shù)偏差Ra進(jìn)行精確測(cè)量。其中測(cè)量長(zhǎng)度為10 mm，取樣長(zhǎng)度為0.25，采樣速度為0.5 mm，段數(shù)為5L，傳感器選擇標(biāo)準(zhǔn)，觸針半徑為2 μm，桿長(zhǎng)為17 mm。測(cè)量結(jié)果如表3所示，主軸轉(zhuǎn)速對(duì)兩種加工方式下的粗糙度影響曲線如圖6所示。

從圖6中可以看出，采用超聲振動(dòng)輔助磨削后的工件表面質(zhì)量明顯好于普通金剛石磨削。兩種加工方式下的工件表面粗糙度均隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大而增大，這與Razfar等[17]開展AISI1020鋼的超聲振動(dòng)輔助磨削實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，但與Churi等[18]研究鈦合金的結(jié)果正好相反。另外，超聲振動(dòng)輔助磨削過程中，在2 000～5 000 r/min時(shí)，工件表面粗糙度受主軸轉(zhuǎn)速影響明顯小于5 000～8 000 r/min，而通過改變普通金剛石磨削的主軸轉(zhuǎn)速發(fā)現(xiàn)工件表面粗糙度受其變化影響較小。

表3 兩種加工方式下工件表面粗糙度測(cè)量結(jié)果

圖6 主軸轉(zhuǎn)速對(duì)兩種加工方式下的粗糙度影響曲線

2.2.3 主軸轉(zhuǎn)速對(duì)邊緣碎裂影響分析

由于牙冠屬于復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu)件且尺寸較小，特別是其頸緣處為了滿足臨床上與基底冠或殘牙的配合精度要求，均具有鋒利的邊緣。同時(shí)，牙冠在使用過程中會(huì)因?yàn)檫吘壦榱呀档推鋸?qiáng)度從而導(dǎo)致失效。因此，出口邊緣碎裂是檢驗(yàn)其加工質(zhì)量的重要因素，必須通過相應(yīng)的措施來減少出口邊緣碎裂對(duì)牙冠加工精度和質(zhì)量的影響[19]。

對(duì)加工孔出口位置最大邊緣碎裂尺寸的測(cè)量采用的是KEYENCE超景深三維顯微系統(tǒng)(型號(hào)：VHX-600E)。圖7和圖8為主軸轉(zhuǎn)速在2 000 r/min和8 000 r/min時(shí)，放大50倍后得到的普通金剛石磨削和超聲振動(dòng)輔助磨削完全燒結(jié)氧化鋯陶瓷的邊緣碎裂對(duì)比情況。圖9為主軸轉(zhuǎn)速對(duì)兩種加工方式所產(chǎn)生的最大邊緣碎裂寬度的影響規(guī)律。

圖7 轉(zhuǎn)速為2000 r/min時(shí)完全燒結(jié)氧化鋯陶瓷在兩種加工方式下的邊緣碎裂

圖8 轉(zhuǎn)速為8 000 r/min時(shí)完全燒結(jié)氧化鋯陶瓷在兩種加工方式下的邊緣碎裂

圖9 主軸轉(zhuǎn)速對(duì)兩種加工方式下的最大邊緣碎裂寬度影響曲線

根據(jù)測(cè)量結(jié)果可得，同等工況下超聲振動(dòng)輔助磨削的邊緣碎裂程度較普通金剛石磨削有明顯改善。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時(shí)，采用普通金剛石磨削孔的出口邊緣有多處發(fā)生碎裂，且碎裂寬度最大，達(dá)到了739.63 μm，而當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到8 000 r/min時(shí)碎裂情況有所好轉(zhuǎn)僅在頂端出現(xiàn)1-2處的缺損，但最大碎裂寬度無明顯變化。這主要是在低轉(zhuǎn)速情況下的切削力較大，導(dǎo)致在出口處產(chǎn)生多處碎裂，但由于受加工工藝和完全燒結(jié)氧化鋯陶瓷材料硬度的影響，其邊緣碎裂尺寸變化不大。超聲振動(dòng)輔助磨削與之類似，但圖7(b)和圖8(b)的碎裂程度幾乎沒有發(fā)生變化。因此，就邊緣碎裂情況而言，普通金剛石磨削受主軸轉(zhuǎn)速影響遠(yuǎn)大于超聲振動(dòng)輔助磨削。同時(shí)，在超聲振動(dòng)的輔助下，轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時(shí)，陶瓷工件最大邊緣碎裂寬度為187.74μm；在8 000 r/min時(shí)碎裂尺寸達(dá)到最小，僅為96.22 μm。因此可認(rèn)為，超聲振動(dòng)的輔助使得完全燒結(jié)氧化鋯陶瓷的邊緣碎裂情況得到了很好的控制。另外，從圖9可得，在超聲振動(dòng)輔助作用下，最大邊緣碎裂的寬度隨著轉(zhuǎn)速的增大而降低，并且在2 000～5 000 r/min范圍內(nèi)比5 000～8 000 r/min范圍內(nèi)的降幅更大。而在普通金剛石磨削情況下則有所不同，最大邊緣碎裂寬度在主軸轉(zhuǎn)速為2 000～5000 r/min范圍內(nèi)隨著轉(zhuǎn)速的增大而減小，在5 000～8 000 r/min范圍內(nèi)隨著轉(zhuǎn)速的增大而增大。

3 結(jié) 論

(1)超聲振動(dòng)的輔助有利于提高完全燒結(jié)氧化鋯牙科材料的去除率，但受主軸轉(zhuǎn)速影響較小。

(2)在加工完全燒結(jié)氧化鋯牙科材料時(shí)，超聲振動(dòng)的輔助有利于降低工件表面粗糙度，特別是在主軸轉(zhuǎn)速較低時(shí)效果明顯。

(3)超聲振動(dòng)的輔助有利于抑制工件邊緣碎裂，大幅度降低其碎裂寬度。同時(shí)，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大，最大邊緣碎裂尺寸逐步減小。

另外，由于牙冠表面形貌較為復(fù)雜且多為薄壁件，因此，在后續(xù)的可行性研究中應(yīng)考慮采用超聲振動(dòng)輔助磨削復(fù)雜曲面的特性，并分析其亞表面損傷機(jī)理。

參 考 文 獻(xiàn)

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