納米陶瓷磨削深度對(duì)表面質(zhì)量的影響分析

河南科技學(xué)院機(jī)電學(xué)院 寧 欣 姚建國(guó) 蘇建修

磨削一般作為機(jī)加工的最終工序，其目的是使零件達(dá)到要求的精度和表面質(zhì)量。零件精度與表面粗糙度Ra有密切關(guān)系：一定精度（尺寸公差）要求相應(yīng)的表面粗糙度，高精度一定要求低表面粗糙度，反之不然。表面粗糙度是反映微觀幾何形狀誤差的重要指標(biāo)[1-2]。在加工機(jī)械零件時(shí)，常常要控制尺寸公差，Ra應(yīng)不超過(guò)尺寸公差的l/8。零件接觸時(shí)，Ra的高低決定實(shí)際接觸面積的大?。篟a小時(shí)，可以增加零件之間的有效接觸面積，從而減少接觸表面壓強(qiáng)，提高可靠性；若Ra大，則零件承受的載荷要高于理論計(jì)算值。磨削加工接觸面積達(dá)30%～50%，精密磨削有效接觸面積可達(dá)85%～90%。一般情況下，Ra越小，磨損越小[3-4]。

任何加工方法都不可能獲得理想表面，會(huì)存在一定的微觀不平整度。表面粗糙度是以已加工表面微觀不平度的高度來(lái)衡量的，能反映表面微觀幾何特性，不僅與微觀輪廓的高度有關(guān)，還和輪廓形狀有關(guān)，是一個(gè)綜合指標(biāo)，對(duì)保證零件配合的可靠性和穩(wěn)定性，減少磨損，降低能耗，減少應(yīng)力集中，提高零件使用壽命都起著重要作用[5]。本文從磨削深度對(duì)表面質(zhì)量進(jìn)行分析。

1 試驗(yàn)條件與方法

試驗(yàn)在超聲振動(dòng)系統(tǒng)上進(jìn)行，超聲振動(dòng)磨削系統(tǒng)由超聲波發(fā)生器、換能器、變幅桿及磨削工裝4部分組成，如圖1、表1所示。

用中國(guó)航天304研究所JJI-B粗糙度測(cè)量?jī)x測(cè)量Ra值。測(cè)量時(shí)，應(yīng)注意區(qū)分試件上磨削軌跡的平行和垂直方向，分別在兩個(gè)方向上取不同區(qū)域測(cè)量5次，取平均值。微觀形貌觀察采用日本Jsm-5610 LV型掃描電鏡。

對(duì)于不同的振動(dòng)頻率、磨削深度、功率等參數(shù)做了大量的對(duì)比試驗(yàn)，測(cè)得了試件的表面粗糙度。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 磨削深度對(duì)表面質(zhì)量的影響

圖1 二維超聲振動(dòng)磨削系統(tǒng)原理圖Fig.1 Principle diagram of 2D ultrasonic vibration grinding system

表1 試驗(yàn)條件

磨削深度即砂輪在單個(gè)行程的進(jìn)給量，是一個(gè)十分重要的磨削參數(shù)，它與加工效率有密切的聯(lián)系，是對(duì)加工效率影響最大的要素。在超精密磨削加工中，可以認(rèn)為磨削深度同磨削加工效率成正比，即加工效率的高低取決于磨削深度。采用較大的磨削深度時(shí)，單位行程去除材料量大，還能減少砂輪空轉(zhuǎn)時(shí)間，機(jī)床使用效率及加工工效就提高了。但在加工陶瓷等硬脆材料時(shí)，采用較大的磨削深度又會(huì)帶來(lái)一系列問(wèn)題，比如磨削表面脆性斷裂增多，影響加工質(zhì)量，引起砂輪燒傷及工件表面燒傷等。為了優(yōu)化參數(shù)，高效高質(zhì)地獲得加工表面，因此研究與加工效率直接相關(guān)的磨削深度對(duì)表面粗糙度的影響很有必要。

在試驗(yàn)中采用不同的磨削深度進(jìn)行磨削加工，在磨削力試驗(yàn)的基礎(chǔ)上所得磨削加工試件的表面粗糙度值及電鏡照片如圖2、3所示。

2.2 試驗(yàn)分析

從圖2可以看出，同樣的磨削深度下，超聲磨削表面粗糙度遠(yuǎn)小于普通磨削表面。隨著磨削深度的增加，二者粗糙度都增大，但普通磨削加工表面Ra值增加較快，而超聲振動(dòng)磨削加工表面的粗糙度值Ra增加趨勢(shì)相對(duì)緩慢。分析原因如下：

（1）當(dāng)磨削深度ap增大時(shí)，單顆磨粒未變形，磨削厚度加大，磨粒對(duì)工件表面刻劃程度增大，磨粒切削軌跡尺寸增大，因而粗糙度值增加。

（2）由壓痕斷裂理論可知，磨削深度增大，即單顆磨粒壓入材料深度增加時(shí)，材料承受的載荷增大，微裂紋更容易產(chǎn)生并拓展，從而導(dǎo)致Ra變大。

（3）磨削深度增大導(dǎo)致磨削力增大，磨削溫度升高，表面質(zhì)量降低。

對(duì)于超聲磨削：（1）從微觀角度考慮，超聲振動(dòng)對(duì)材料粒子的作用會(huì)使內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，斷裂韌性增強(qiáng)，這就不難理解超聲脆-延轉(zhuǎn)變的臨界深度比普通磨削大。且隨著施加超聲頻率的增大，外部特征與陶瓷材料內(nèi)稟尺度更加接近，它們之間的長(zhǎng)程作用增強(qiáng)，穿晶斷裂比重增大，材料的韌性增量更大。

圖2 磨削深度對(duì)表面粗糙度的影響Fig.2 Effects of grinding depth on surface roughness

圖3 不同磨削深度下表面SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM photos of surface under different grinding depths

（2）超聲振動(dòng)大大增加了材料的延性磨削區(qū)間。在延性域切削范圍內(nèi)，比普通磨削小得多的切削力使陶瓷材料表面局部產(chǎn)生破碎，且破碎僅出現(xiàn)在材料延性流動(dòng)所隆起的部分，并不像普通磨削，破碎不僅產(chǎn)生在材料所隆起的部分，且大部分產(chǎn)生在犁溝的底部。此外，超聲磨削破碎的凹坑十分淺，故同樣條件下超聲磨削會(huì)得到比普通磨削小得多的粗糙度值，粗糙度在延性域內(nèi)隨切深增大且沒(méi)有明顯改變。

（3）在超聲磨削下，磨削力隨磨削深度的增大小于普通磨削力，這也會(huì)使單顆磨粒未變形，磨削厚度在超聲磨削下小于普通磨削，所以在超聲磨削下表面質(zhì)量要優(yōu)于普通磨削。

（4）超聲振動(dòng)磨削中，磨粒各個(gè)側(cè)面與工件呈周期性接觸，在一定程度上使砂輪始終保持銳利狀態(tài)，減小了平均磨削力，這樣使裂紋出現(xiàn)的幾率大大減少。

（5）超聲振動(dòng)使磨粒運(yùn)動(dòng)軌跡之間干涉程度大大加強(qiáng)，互相起研磨作用，能夠得到粗糙度值小的表面。

從圖3電鏡照片可以看出，當(dāng)磨削深度為5μm時(shí)，普通磨削表面破碎很少，而超聲磨削表面質(zhì)量好于普通磨削。超聲磨削表面溝槽均勻，可以清晰地看到延性磨削特征，且溝槽深度比普通磨削時(shí)淺。當(dāng)磨削深度為12μm時(shí)，普通磨削表面破碎嚴(yán)重，呈脆性去除狀態(tài)，而超聲磨削表面僅有局部少量破碎現(xiàn)象，還處于脆性-延性混合模式，這說(shuō)明超聲振動(dòng)磨削有比普通磨削大得多的臨界延性磨削深度，利用超聲振動(dòng)磨削能高效地獲得精密加工表面。

3 結(jié)論

（1）相同磨削深度下，超聲磨削表面粗糙度遠(yuǎn)小于普通磨削，而當(dāng)增加磨削深度時(shí)，超聲磨削表面粗糙度增加趨勢(shì)緩慢。

（2）超聲振動(dòng)大大增加了材料的延性磨削區(qū)間。

（3）超聲振動(dòng)磨削時(shí)可以獲得大的臨界延性磨削深度。

[1] 李伯民，趙波. 現(xiàn)代磨削技術(shù). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[2] Kitajima K, Cai G Q, Nelal K. Study on mechanism of ceramics grinding. Annals of the CIRP, 1992,41(1): 367-371.

[3] Inasaki I. Grinding of hard brittle materials. Annals of CIRP,1987,36(21): 463-471.

[4] 柯宏發(fā),張耀輝,陳友良,等.陶瓷半延展性磨削試驗(yàn)研究.金剛石與磨料磨具工程, 1998, 1(103):25-28.

[5] Guo C S, Chand R. Adaptive ceramics machining//The ultra-hard materials technical conference. Windsor, 1998:28-30.