車削氧化鋯陶瓷軸端面粗糙度的影響因素分析*

王　宇，吳玉厚，李頌華

(沈陽建筑大學(xué) 交通與機(jī)械工程學(xué)院，沈陽　110168)

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車削氧化鋯陶瓷軸端面粗糙度的影響因素分析*

王宇，吳玉厚，李頌華

(沈陽建筑大學(xué) 交通與機(jī)械工程學(xué)院，沈陽110168)

在用金剛石刀具對氧化鋯陶瓷軸端面進(jìn)行切削加工時(shí)，研究各個(gè)切削用量對其表面粗糙度的影響。設(shè)計(jì)多組切削參數(shù)，完成氧化鋯毛坯軸在不同參數(shù)下的切削加工，然后用表面粗糙度儀器對切削后的陶瓷軸端面進(jìn)行觀察和測量。得到表面粗糙度值隨切削用量的變化，各切削用量對表面粗糙度的影響程度，以及最優(yōu)參數(shù)下陶瓷軸的表面形貌。最后獲得了切削氧化鋯毛坯軸端面時(shí)的最佳切削用量，在該參數(shù)下的表面粗糙度值最小，表面形貌最光整，該研究對實(shí)際加工和生產(chǎn)實(shí)踐具有一定的指導(dǎo)意義。

氧化鋯陶瓷；表面粗糙度；金剛石車刀；切削用量

0　引言

隨著當(dāng)今社會(huì)科技水平的不斷進(jìn)步，制造技術(shù)得到了空前的迅速發(fā)展，工程陶瓷作為一種新型的加工材料，被廣泛應(yīng)用在了機(jī)械、能源、電子、化工、石油、生物、汽車、航空航天等高新技術(shù)領(lǐng)域[1]。與傳統(tǒng)材料相比，它具有高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨性、抗腐蝕等眾多優(yōu)異性能，但其高硬度、脆性大等特點(diǎn)卻使之難以加工。本文研究的氧化鋯陶瓷材料主要成分為ZrO2，是鋯的主要氧化物，它性質(zhì)穩(wěn)定，且具有高熔點(diǎn)、高電阻率、高折射率和低熱膨脹系數(shù)，由于氧化鋯陶瓷材料為典型的難加工材料，因此對其加工機(jī)理以及加工技術(shù)遠(yuǎn)不如金屬材料那樣普遍和深入[2-3]。不同于傳統(tǒng)材料的切削加工，陶瓷材料的切削參數(shù)需要經(jīng)過嚴(yán)格的控制才能保證加工出來的零件達(dá)到精度要求且不致于碎裂[4]。以往的研究大多只針對陶瓷材料的磨削加工，對陶瓷材料切削加工的相關(guān)研究還不夠廣泛和深入。因此，本文利用金剛石刀具對氧化鋯陶瓷軸端面進(jìn)行切削加工，并對切削后的表面進(jìn)行觀察，研究切削加工過程中各個(gè)參數(shù)對表面粗糙度的影響，從而獲得氧化鋯陶瓷軸切削加工的最佳工藝參數(shù)。良好表面質(zhì)量的端面能夠保證以其為基準(zhǔn)的加工面達(dá)到較高精度。

1　實(shí)驗(yàn)方案

1.1試件

本實(shí)驗(yàn)采用的試件是氧化鋯陶瓷軸毛坯，該毛坯主軸長252mm，最大半徑55mm，內(nèi)孔半徑為14mm。表1列舉了氧化鋯陶瓷和其它幾種材料的基本性能對比。從中可以看出，氧化鋯具有低密度、高韌性和高抗彎強(qiáng)度的特點(diǎn)，同時(shí)還具有接近于鋼的熱膨脹系數(shù)，是一種性能比較好的陶瓷材料[5]。

表1　氧化鋯陶瓷材料和其它材料的基本性能

1.2氧化鋯陶瓷軸毛坯的制備

圖1　氧化鋯陶瓷軸毛坯的制備工藝

為了使陶瓷軸具有良好的物理性能，同時(shí)降低加工費(fèi)用，需要制備近凈尺寸的陶瓷軸毛坯。氧化鋯軸承軸毛坯的制備工藝如圖1所示。首先采用干壓成型法對氧化鋯陶瓷件進(jìn)行成型加工，干壓成型法具有成型效率高、操作方便等特點(diǎn)，但是會(huì)出現(xiàn)毛坯密度不均勻和分層現(xiàn)象。為了彌補(bǔ)這一缺陷，采用噴霧干燥造粒方法來提高粉料的均勻性和流動(dòng)性。在干壓成型之后，還需采用冷等靜壓方法來減少毛坯的氣孔，從而增加毛坯的致密度，最后對毛坯進(jìn)行燒結(jié)。通過該一系列的過程，毛坯的形狀、尺寸精度，以及成品率都會(huì)得到大大的提高[6]。

1.3實(shí)驗(yàn)條件

圖2　Taylor Hobson粗糙度儀

本試驗(yàn)所采用的加工設(shè)備為CA6140普通臥式車床，由主軸箱、進(jìn)給箱、溜板箱、床身等部分組成，切削加工采用鄭州市鉆石精密制造有限公司生產(chǎn)的刀桿和刀片，刀桿材料為42CrMo,型號(hào)為25×25。刀片材料為金剛石，型號(hào)為CCGW09T304。表面粗糙度采用英國Taylor Hobson公司生產(chǎn)的Surtronic25型粗糙度儀進(jìn)行測量，如圖2所示，該儀器采用3.2nm的傳感器，測量精度可達(dá)0.001μm，該儀器還可以對切削后的表面進(jìn)行三維測量等，并可進(jìn)行各種分析處理。

2　切削用量對表面粗糙度的影響

切削用量是指切削加工過程中所采用的切削速度、切削深度和進(jìn)給量等工藝參數(shù)。正確選擇切削用量，對于保證加工質(zhì)量、提高加工效率和降低生產(chǎn)成本具有重要意義。選擇切削用量時(shí)應(yīng)考慮的主要因素有：刀具和工件的材料、工件的加工精度和表面粗糙度、刀具壽命、機(jī)床功率、機(jī)床-機(jī)床夾具-工件-刀具系統(tǒng)的剛度以及斷屑、排屑條件等[7]。在對氧化鋯材料進(jìn)行切削加工時(shí)，由于其硬度大脆性高的特點(diǎn)，難以保證其表面質(zhì)量，因此筆者通過控制變量法，設(shè)計(jì)出多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，針對切削用量對氧化鋯軸表面粗糙度的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。粗糙度輪廓儀在測量前最好先進(jìn)行小球面的標(biāo)定，以校準(zhǔn)其測量精度[8]。如圖3所示，為某一條件下測得的表面粗糙度測量結(jié)果。

圖3　表面粗糙度測量結(jié)果

2.1切削深度對表面粗糙度的影響

圖4　切削深度對表面粗糙度的影響

切削深度又叫背吃刀量，是指垂直于進(jìn)給速度方向的切削層最大尺寸，一般指工件上已加工表面和待加工表面間的垂直距離，切削深度的改變會(huì)影響工件的表面粗糙度，圖4為工件轉(zhuǎn)速為500r/min，進(jìn)給速度為0.05mm/r時(shí)，表面粗糙度隨切削深度的變化，隨著切削深度的增加，表面粗糙度變大。這是因?yàn)殡S著切削深度的增大，切削力也加大，刀具系統(tǒng)的振動(dòng)也隨之加劇，除此之外，刀具對工件表面的劃痕變深，表面質(zhì)量降低[9]。氧化鋯陶瓷為硬脆材料，為了獲得理想的表面粗糙度，必須在很小的切削深度下進(jìn)行切削。實(shí)驗(yàn)得出當(dāng)切削深度為0.05mm時(shí)，表面粗糙度值比較低。在選擇切削深度時(shí)應(yīng)盡可能選擇合適的參數(shù)，使之既能保證加工質(zhì)量，又能提高生產(chǎn)效率。選擇過小的切削深度雖然提高了表面質(zhì)量，但加工效率過低，不符合低成本、高效率的實(shí)驗(yàn)要求。

2.2工件轉(zhuǎn)速對表面粗糙度的影響

圖5　工件轉(zhuǎn)速對表面粗糙度的影響

在對氧化鋯陶瓷軸的加工過程中，陶瓷軸一直隨著機(jī)床主軸高速旋轉(zhuǎn)，金剛石車刀只在機(jī)床縱向做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，所以研究工件轉(zhuǎn)速對加工表面粗糙度的影響，實(shí)際上就是研究切削線速度對表面粗糙度的影響，圖5為在切削深度為0.05mm，進(jìn)給速度為0.05mm/r時(shí)，氧化鋯陶瓷軸端面表面粗糙度隨工件速度的變化。由圖像可知，隨著工件轉(zhuǎn)速的增加(也就是切削線速度的增加)，表面粗糙度值呈逐漸減小的趨勢，這是因?yàn)殡S著切削速度的增加，金剛石刀具在單位時(shí)間內(nèi)與工件表面的接觸次數(shù)增多，刀具在工件表面上的劃痕密度加大，劃痕的等高性好，刀尖在工件零件同一點(diǎn)上參與的切削時(shí)間變短，切削力減小，劃痕變淺，減少了材料的脆性斷裂，提高了材料的斷裂韌性，進(jìn)一步增加了塑性變形，表面質(zhì)量得到改善。

2.3進(jìn)給量對表面粗糙度的影響

進(jìn)給量是指刀具在進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向上相對工件的位移量。本文研究的是車刀對軸端面的加工，進(jìn)給量是指工件每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，刀具切削刃相對于工件在進(jìn)給方向上的位移量，單位是mm/r。如圖6所示為在切削深度為0.05mm，工件轉(zhuǎn)速為500r/min時(shí)，氧化鋯陶瓷軸表面粗糙度隨進(jìn)給量的變化。從圖中可以看到，隨著進(jìn)給量的增大，陶瓷軸端面的表面粗糙度值也隨之增大。這主要是因?yàn)檫M(jìn)給量的增大會(huì)使進(jìn)給方向上的殘留高度增大，從而提高了表面粗糙度值，與此同時(shí)，走刀方向上也由于進(jìn)給量的增大而影響到過渡表面的形狀，從而影響走刀方向的表面粗糙度。

圖6　進(jìn)給量對表面粗糙度的影響

3　最優(yōu)切削參數(shù)的選擇

在用金剛石刀具對氧化鋯陶瓷軸毛坯進(jìn)行切削加工時(shí)，表面粗糙度是衡量幾何精度的一個(gè)重要指標(biāo)，上文所述的切削深度、切削進(jìn)給量以及工件轉(zhuǎn)速均對其有影響，因此，如何選擇適當(dāng)?shù)那邢鲄?shù)來有效地提高切削加工表面質(zhì)量，是我們要研究的一個(gè)問題。

實(shí)驗(yàn)中共有三個(gè)因素，每個(gè)因素有三個(gè)水平，如果不用正交試驗(yàn)法而通過全面試驗(yàn)來確定最優(yōu)的實(shí)驗(yàn)方案，需要進(jìn)行完全的位級配合，共做27次試驗(yàn)。現(xiàn)在選用L9(33)正交表進(jìn)行試驗(yàn)，共需要做9次試驗(yàn)，不但能夠節(jié)省時(shí)間，還能提高實(shí)驗(yàn)效率[10]。正交試驗(yàn)中每個(gè)因素的每一個(gè)水平都有三個(gè)試驗(yàn)，水平的搭配是均勻的。根據(jù)正交試驗(yàn)得到各組參數(shù)的結(jié)果，比較之后選取最優(yōu)的切削參數(shù)組合。正交實(shí)驗(yàn)的各因素和水平如表2所示，為了避免實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，減小數(shù)據(jù)誤差，每組參數(shù)做了三次相同的實(shí)驗(yàn)，然后以三次測量數(shù)據(jù)的平均值作為最后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，正交試驗(yàn)安排和結(jié)果如表3。

表2　正交設(shè)計(jì)的因素和水平

表3　正交試驗(yàn)的安排和結(jié)果

從表3中可以看到，在9組參數(shù)中，當(dāng)切削深度為0.05mm，工件轉(zhuǎn)速為220r/min，進(jìn)給速度為0.075mm/r時(shí)，氧化鋯毛坯軸的表面粗糙度最小。要判斷各個(gè)參數(shù)對表面粗糙度的影響程度，還需要根據(jù)正交表的對稱性原理，求得所有因素的實(shí)驗(yàn)回應(yīng)值，建立Ra回應(yīng)表如表4所示。

表4　Ra回應(yīng)表

表中的回應(yīng)指分別對應(yīng)每個(gè)因素的三個(gè)水平對表面粗糙度的影響，回應(yīng)結(jié)果的極差對應(yīng)每個(gè)因素的三個(gè)水平之間的差異。從回應(yīng)數(shù)據(jù)可以得出下面的結(jié)論：在切削深度、工件轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度三個(gè)切削參數(shù)中，工件轉(zhuǎn)速因素三次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的極差最大，說明工件轉(zhuǎn)速對表面粗糙度的影響最大。另外，工件轉(zhuǎn)速，切削深度，進(jìn)給速度三者的極差逐漸降低，說明它們對切削氧化鋯陶瓷表面粗糙度的影響也越來越小。從而得出各個(gè)切削工藝參數(shù)對表面粗糙度的影響的大小順序?yàn)楣ぜD(zhuǎn)速、切削深度、進(jìn)給速度。

4　正交試驗(yàn)驗(yàn)證

利用電子掃描顯微鏡(SEM)對切削之后的氧化鋯陶瓷軸端面進(jìn)行了觀測，將觀測試件在丙酮液中利用超聲波清洗30min后，對表面進(jìn)行噴金處理，選擇實(shí)驗(yàn)得到的最優(yōu)參數(shù)和任意一組參數(shù)作對比觀察，圖7為采用優(yōu)化工藝參數(shù)組合下(工件轉(zhuǎn)速220r/min、切削深度0.05mm、進(jìn)給速度0.075mm/r)的表面形貌，圖8為采用普通工藝參數(shù)下加工的工件轉(zhuǎn)速355r/min、切削深度0.10mm、進(jìn)給速度0.075mm/r)表面形貌。圖中可以看出在切削表面上存在著深度不一的各種峰谷峰底，這些峰谷峰底的深度決定了表面粗糙度值的大小，對于進(jìn)一步在實(shí)驗(yàn)過程中對工藝參數(shù)的選擇具有重要的參考價(jià)值。

圖7　優(yōu)化參數(shù)下氧化鋯表面形貌SEM圖像

圖8　普通參數(shù)下氧化鋯表面形貌SEM圖像

通過圖像可以得到，圖7中劃痕的高度變化比較均勻，表面相對光滑，圖8中劃痕的高度變化較大，表面比較粗糙，所以最佳切削參數(shù)工藝組合下氧化鋯陶瓷毛坯軸表面粗糙度值要低于普通切削參數(shù)下的表面粗糙度值，表面質(zhì)量好。

5　結(jié)論

(1)介紹氧化鋯陶瓷材料的特點(diǎn)，以及氧化鋯陶瓷軸毛坯的制備工藝。

(2)通過實(shí)驗(yàn)得出氧化鋯陶瓷軸端面粗糙度值隨切削參數(shù)的變化，即隨著切削深度增加而降低，隨著工件轉(zhuǎn)速的增加而降低，隨著進(jìn)給量的增大而增大。

(3)通過正交試驗(yàn)分析切削用量對氧化鋯陶瓷軸表面粗糙度的影響，并得到最優(yōu)工藝參數(shù)為工件轉(zhuǎn)速220r/min、切削深度0.05mm、進(jìn)給速度0.075mm/r，切削參數(shù)對表面粗糙度的影響程度依次為工件轉(zhuǎn)速、切削深度、進(jìn)給速度。

(4)利用電子掃描顯微鏡(SEM)對切削加工表面進(jìn)行觀察，更加直觀的展現(xiàn)加工表面狀態(tài)，驗(yàn)證正交試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，對獲得高效率低成本生產(chǎn)有一定的指導(dǎo)意義。

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(編輯趙蓉)

The Analysis on Influence Factors of Surface Roughness for Turning Zirconia Ceramic Axle End Face

WANG Yu, WU Yu-hou, LI Song-hua

(School of Traffic and Mechanical Engineering,Shenyang Jianzhu University, Shenyang 110168, China)

The cutting experiment for turming zirconia ceramic axle end face with diamond tool was used to study the influence of the cutting parameters to surface roughness. The end face of zirconia blank axis was cut with different cutting parameters, then was observed and measured by the surface profiler. Then the variation that the surface roughness value along with the change of cutting parameters, the influence degree of the cutting parameters on surface roughness, and the surface morphology of zirconia ceramic axle end face under the optimal parameters were obtained from the experiment. Finally, the optimum cutting parameter on turning zirconia ceramic axle end face was acquired. Under this parameter, the surface roughness value of axle end face is minimum, the surface morphology is the most smooth. This research has a certain guiding significance on the actual processing and the production practice.

airconia ceramics; surface roughness; diamond tool; cutting parameters

1001-2265(2016)04-0037-4DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.04.010

2015-06-04

遼寧省科技創(chuàng)新重大專項(xiàng)(201301001)；數(shù)控機(jī)床主軸系統(tǒng)(IRT1160)

王宇(1991—)，男，黑龍江伊春人，沈陽建筑大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)楣こ烫沾闪慵苤圃欤?E-mail)382448346@qq.com。

TH165;TG506

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