藍(lán)寶石不同晶面軸向超聲振動輔助磨削特性研究

胡中偉 邵銘劍 方從富 于怡青 徐西鵬

1.華僑大學(xué)制造工程研究院，廈門，3610212.華僑大學(xué)脆性材料加工技術(shù)教育部工程研究中心，廈門，361021

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藍(lán)寶石不同晶面軸向超聲振動輔助磨削特性研究

胡中偉1,2邵銘劍1,2方從富2于怡青2徐西鵬1,2

1.華僑大學(xué)制造工程研究院，廈門，3610212.華僑大學(xué)脆性材料加工技術(shù)教育部工程研究中心，廈門，361021

選取藍(lán)寶石的A面、C面、M面及R面開展軸向超聲振動輔助磨削試驗(yàn)，并從磨削力、比磨削能、表面粗糙度及表面形貌等角度對比藍(lán)寶石四個晶面超聲振動輔助磨削效果的差異。施加超聲振動輔助磨削時，藍(lán)寶石四個晶面的磨削力、比磨削能及表面粗糙度相對未施加超聲振動時均有所減小，且工件表面損傷裂紋較小，表面質(zhì)量更好;藍(lán)寶石不同晶面在施加超聲振動時的磨削力、比磨削能和表面粗糙度的減小比例不同，C面的減小比例最小，M面和A面的減小比例較大，R面的減小比例最大;超聲振動輔助磨削藍(lán)寶石四個晶面時，R面的改善效果最好,其次是M面和A面，C面的改善效果較差,這反映工件材料的脆性越大，超聲輔助磨削對加工質(zhì)量的改善效果越明顯。

藍(lán)寶石；軸向超聲振動輔助磨削；磨削特性；表面形貌

0 引言

藍(lán)寶石(α-Al2O3)具有良好的光學(xué)性能、化學(xué)穩(wěn)定性、耐磨性、熱穩(wěn)定性及較高的硬度(莫氏硬度9.5級)，是一種集優(yōu)良的光學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能于一體的多功能氧化物晶體，目前已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、航空航天、國防及生活等領(lǐng)域中[1-3]。藍(lán)寶石晶體的這些應(yīng)用對其尺寸精度和表面質(zhì)量均有著非常高的要求，但由于藍(lán)寶石極高的硬度和脆性，難以實(shí)現(xiàn)其高效率、低損傷加工是其廣泛應(yīng)用的主要障礙[4]。超聲振動輔助磨削加工已被大量的理論和試驗(yàn)證明是一種加工硬脆難加工材料的有效方法，與傳統(tǒng)加工工藝相比，它可以提高加工效率、改善表面質(zhì)量、降低加工成本[5-7]。

近年來，隨著藍(lán)寶石的廣泛應(yīng)用，許多學(xué)者針對藍(lán)寶石不同晶面加工特性的差異進(jìn)行了研究，周平[8]和沈峰[9]比較了藍(lán)寶石A面、C面、M面及R面研磨特性的差異。HANEY等[10]通過靜態(tài)和動態(tài)壓痕試驗(yàn)對藍(lán)寶石A面和C面的機(jī)械響應(yīng)特性進(jìn)行了對比研究。STIRNER[11]采用仿真方法對藍(lán)寶石A面、C面、M面及R面的表面能特性進(jìn)行了比較研究。PINKAS等[2]研究了熱愈合特性對藍(lán)寶石A面和C面表面形貌的影響。ZHU等[12]對藍(lán)寶石A面、C面及M面的化學(xué)機(jī)械拋光特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。在藍(lán)寶石超聲輔助加工方面，LIANG等[13-16]采用橢圓超聲振動輔助磨削方法對藍(lán)寶石的C面進(jìn)行試驗(yàn)，證實(shí)了橢圓超聲振動輔助磨削可以實(shí)現(xiàn)藍(lán)寶石的高效、精密加工，由于改善了砂輪的磨削性能，所以可以獲得納米級的加工表面。ZHANG等[17]用球形壓頭對C面藍(lán)寶石進(jìn)行超聲輔助劃痕試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)超聲振動的引入可以有效抑制微裂紋的擴(kuò)展。雖然已有學(xué)者對藍(lán)寶石的超聲振動加工特性進(jìn)行了研究，但針對藍(lán)寶石不同晶面的超聲振動輔助磨削效果差異的研究鮮有報道。

本文將采用自行設(shè)計(jì)和制備的超聲振動系統(tǒng)分別對藍(lán)寶石的A面、C面、M面及R面開展軸向超聲振動輔助磨削試驗(yàn)，從磨削力、比磨削能、表面粗糙度和表面形貌等角度對比分析軸向超聲振動輔助磨削藍(lán)寶石A面、C面、M面及R面的磨削特性差異。

1 試驗(yàn)設(shè)備

磨削試驗(yàn)是在日本三井公司生產(chǎn)的MSG-250HMD精密平面磨床上進(jìn)行的，其實(shí)物圖見圖1。采用自行設(shè)計(jì)和制備的超聲振動裝置，超聲振動沿砂輪軸向施加在工件上，試驗(yàn)示意圖見圖2。超聲振動頻率為28 kHz，振幅約為5 μm。試驗(yàn)選用的砂輪為180目粒度的樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪，磨粒粒徑約為80 μm，濃度為100%。為了對比研究有無施加超聲振動時的磨削效果，當(dāng)超聲振動裝置關(guān)閉(OFF)時認(rèn)為是普通磨削，而當(dāng)超聲振動裝置開啟(ON)時則認(rèn)為是超聲振動輔助磨削。試驗(yàn)參數(shù)如下：工作臺速度vw=1920 mm/min；磨削速度vs=20 m/s；磨削深度ap=10 μm；采用水基磨削液進(jìn)行冷卻潤滑。試樣為元亮科技有限公司提供的藍(lán)寶石塊材，其尺寸為10 mm×15 mm×6 mm，磨削表面分別為A面、C面、M面及R面，磨削表面尺寸為10 mm×6 mm。

圖1 精密平面磨床實(shí)物圖Fig.1 Precision surface grinding machine

圖2 軸向超聲振動輔助磨削試驗(yàn)示意圖Fig.2 Sketch of experimental of axial ultrasonic assisted grinding

在磨削過程中，采用Kistler9257B測力儀對磨削力進(jìn)行測量，采用Mahr公司的XR20粗糙度測量儀對磨削表面的粗糙度進(jìn)行測量，并采用Phenom Pro X型號的掃描電子顯微鏡對磨削表面形貌進(jìn)行觀測。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 超聲輔助磨削下藍(lán)寶石四個晶面的磨削力

為了研究施加軸向超聲振動對藍(lán)寶石A面、C面、M面及R面磨削特性的影響，在其他條件相同的情況下，圖3和圖4分別給出了藍(lán)寶石四個晶面在有無施加超聲振動時的法向磨削力和切向磨削力。

圖3 超聲輔助磨削下藍(lán)寶石四個晶面的法向磨削力Fig.3 The normal grinding force of four sapphire crystal surfaces by ultrasonic assisted grinding

圖4 超聲輔助磨削下藍(lán)寶石四個晶面的切向磨削力Fig.4 The tangential grinding force of four sapphire crystal surfaces by ultrasonic assisted grinding

從圖3和圖4中可以看出，無論是法向磨削力還是切向磨削力，施加和未施加超聲振動情況下，在藍(lán)寶石的四個晶面中，均是C面的磨削力最大，其次是M面和A面，R面的磨削力最小。藍(lán)寶石的A面、C面、M面和R面在施加軸向超聲振動時的法向磨削力和切向磨削力比未施加超聲振動時的法向磨削力和切向磨削力均要小，但不同晶面施加超聲振動磨削時磨削力的減小比例不同。與普通磨削相比，施加軸向超聲振動時C面的法向磨削力約減小了20.1%，M面的法向磨削力約減小了25.2%，A面的法向磨削力約減小了23.6%，R面的法向磨削力約減小了27.9%。施加軸向超聲振動后，C面的切向磨削力約減小了14.8%，M面的切向磨削力約減小了25.6%，A面的切向磨削力約減小了24.6%，R面的切向磨削力約減小了31.4%。施加超聲振動時，R面的磨削力減小比例最大，其次是M面和A面，C面的磨削力減小比例最小。

2.2 超聲輔助磨削下藍(lán)寶石四個晶面的比磨削能

比磨削能是指單位時間磨削去除單位體積工件材料所消耗的能量，其計(jì)算公式[18]如下：

(1)

式中，Bw為工件寬度,mm。

為了更好地比較有無施加超聲振動時，藍(lán)寶石A面、C面、M面和R面磨削特性的差異，對藍(lán)寶石四個晶面的比磨削能按式(1)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖5所示。

圖5 超聲輔助磨削下藍(lán)寶石四個晶面的比磨削能Fig.5 The grinding energy of four sapphire crystal surfaces by ultrasonic assisted grinding

從圖5可以看出，不管有無施加超聲振動，磨削藍(lán)寶石C面的比磨削能均最大，其次是M面和A面，R面的比磨削能均最小。與普通磨削相比，施加軸向超聲振動磨削時藍(lán)寶石A面、C面、M面和R面的比磨削能均有一定程度的減小，但超聲輔助磨削不同晶面時比磨削能的減小比例不同。其中，C面的比磨削能約減小了14.8%，M面的比磨削能約減小了25.6%，A面的比磨削能約減小了24.6%，R面的比磨削能約減小了31.4%。施加超聲振動時，R面的比磨削能減小比例最大，其次是M面和A面，C面的比磨削能減小比例最小。

2.3 超聲輔助磨削下藍(lán)寶石四個晶面的表面粗糙度

為了更好地對比有無施加超聲振動時，藍(lán)寶石不同晶面磨削特性的差異，對藍(lán)寶石A面、C面、M面及R面在有無施加超聲振動時的磨削表面粗糙度進(jìn)行了測量，結(jié)果如圖6所示。

圖6 超聲輔助磨削下藍(lán)寶石四個晶面的表面粗糙度Fig.6 The surface roughness of four sapphire crystal surfaces by ultrasonic assisted grinding

從圖6中可以看出，不管有無施加超聲振動，藍(lán)寶石C面的磨削表面粗糙度均最小，其次是A面和M面，R面的磨削表面粗糙度均最大。與普通磨削相比，超聲振動輔助磨削藍(lán)寶石A面、C面、M面和R面的磨削表面粗糙度均有一定程度的減小，但超聲輔助磨削不同晶面時表面粗糙度的減小比例不同。其中，C面的磨削表面粗糙度約減小了7.6%，A面的磨削表面粗糙度約減小了10.3%，M面的磨削表面粗糙度約減小了10.2%，R面的磨削表面粗糙度約減小了13.7%。施加超聲振動時，R面的磨削表面粗糙度減小比例最大，其次是M面和A面，C面的磨削表面粗糙度的減小比例最小。

2.4 超聲輔助磨削下藍(lán)寶石四個晶面的表面形貌

為了更直觀地對比藍(lán)寶石不同晶面在有無施加超聲振動時的磨削特性，對藍(lán)寶石A面、C面、M面及R面的表面形貌進(jìn)行了觀測，結(jié)果如圖7～圖10所示。

從圖7a中可以看出，未施加超聲振動磨削時，藍(lán)寶石C面磨削表面存在較多的淺劃痕區(qū)，同時也存在部分脆性斷裂和破碎區(qū)，不存在塊狀剝落現(xiàn)象，磨削表面較其他三個晶面的磨削表面更加平整，表面粗糙度最小，表面質(zhì)量最好。從圖7b中可以看出，施加超聲振動時，藍(lán)寶石C面磨削表面出現(xiàn)大量的淺劃痕區(qū)，同時存在較少部分脆性斷裂和破碎區(qū)，磨削表面較普通磨削時更平整，表面粗糙度也更小。

(a)未施加超聲振動

(b)施加超聲振動圖7 藍(lán)寶石C面的磨削表面形貌Fig.7 Surface topography of C-plane sapphire

(a)未施加超聲振動

(b)施加超聲振動圖8 藍(lán)寶石A面的磨削表面形貌Fig.8 Surface topography of A-plane sapphire

(a)未施加超聲振動

(b)施加超聲振動圖9 藍(lán)寶石M面的磨削表面形貌Fig.9 Surface topography of M-plane sapphire

(a)未施加超聲振動

(b)施加超聲振動圖10 藍(lán)寶石R面的磨削表面形貌Fig.10 Surface topography of R-plane sapphire

從圖8a中可以看出，未施加超聲振動磨削時，藍(lán)寶石A面磨削表面存在較多的脆性斷裂和破碎，同時也伴隨有少量較小的塊狀剝落和少許的淺劃痕，由于塊狀剝落去除量較少，且塊狀較小，A面磨削后的表面相對平整。從圖8b中可以看出，超聲振動輔助磨削時，藍(lán)寶石A面磨削表面同樣存在較多的脆性斷裂和破碎，同時伴有少許的淺劃痕，且未發(fā)現(xiàn)有明顯的塊狀剝落現(xiàn)象，這說明施加超聲振動時磨削表面存在局部微破碎，表面質(zhì)量較普通磨削時要好。

雖然藍(lán)寶石A面和M面的斷裂韌性和彈性模量相同，但受晶面解理特性的影響，在未施加超聲磨削時，藍(lán)寶石M面的磨削表面不僅存在大量的脆性斷裂和破碎區(qū)，還存在一些塊狀解理剝落現(xiàn)象，如圖9a所示，因此M面的磨削表面粗糙度比A面的表面粗糙度大。從圖9b中可以看出，在施加超聲振動時，藍(lán)寶石M面的磨削表面仍然存在大量的脆性斷裂和破碎區(qū)，并且存在少量的塊狀解理剝落現(xiàn)象，有少許的淺劃痕，但塊狀剝落的尺寸較普通磨削時的尺寸小得多，表面粗糙度相對普通磨削時明顯要小，表面質(zhì)量相對較好。

從圖10a中可以看出，未施加超聲振動磨削時，藍(lán)寶石R面的磨削表面也存在大量的脆性斷裂和破碎區(qū)，特別是存在大量的塊狀解理剝落現(xiàn)象，且剝落塊較大，在磨削表面留下大量的剝落坑，磨削表面粗糙度最大。從圖10b中可以看出，在超聲振動輔助磨削時，藍(lán)寶石R面的磨削表面存在大量的脆性斷裂和破碎區(qū)，同時存在少許的淺劃痕，但也存在較多的小塊狀剝落解理去除，未見有較大的塊狀解理剝落，磨削表面質(zhì)量明顯較普通磨削時的好。

3 討論

超聲振動輔助磨削是實(shí)現(xiàn)硬脆性材料高效精密加工的方法之一。軸向超聲振動的施加增大了磨粒與工件在砂輪軸向的沖擊作用，使得磨粒的刃部在短時間內(nèi)即可與工件相互作用，并引起工件的局部應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過材料的斷裂極限，最終導(dǎo)致材料表面微細(xì)裂紋的產(chǎn)生、發(fā)展以及材料的局部破碎去除。并且，超聲振動的潤滑作用，能使加工中的工件表面變得光滑，減小工件與磨粒間的摩擦。因此，與普通磨削相比，軸向超聲振動的施加均會使工件材料更容易去除，能夠降低藍(lán)寶石磨削過程的磨削力和比磨削能。

超聲振動輔助磨削的效果也與材料的機(jī)械性能有很大的關(guān)系，材料的斷裂韌性越小，磨削過程中材料的斷裂伸長率就越小，材料局部破碎效果越明顯，表明材料脆性越大，超聲磨削的效果就越明顯[19]。由于藍(lán)寶石A面、C面、M面及R面的材料性能不同，使得超聲振動的施加對不同晶面的作用效果不同。在藍(lán)寶石四個晶面中，由于C面的斷裂韌性最大，其表面韌性也就最大，在超聲振動輔助磨削的過程中，超聲振動的局部微破碎作用最小，因此，在施加超聲振動時，C面磨削力的減小比例最小。相對于C面，M面和A面的斷裂韌性要小且一致，所以M面和A面磨削力的減小比例較大且相近。R面的斷裂韌性最小，超聲振動的局部微破碎效果最明顯，因此，R面磨削力的減小比例最大。由式(1)可以看出，在相同磨削條件下，比磨削能和切向磨削力成正比關(guān)系，相應(yīng)地，超聲振動輔助磨削時，藍(lán)寶石C面的比磨削能的減小比例最小，M面和A面的比磨削能的減小比例相近且較大，R面的比磨削能的減小比例最大。

同樣地，超聲振動輔助磨削對于工件表面質(zhì)量的改善效果也與被磨削工件的材料性能有著非常密切的關(guān)系，材料的斷裂韌性越大，其塑性指數(shù)也就更加明顯，越不利于微裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展[20]，材料越脆，磨削表面破裂越嚴(yán)重，甚至出現(xiàn)塊狀剝落現(xiàn)象，而超聲振動的施加，使得局部微破碎效果明顯，抑制了裂紋的擴(kuò)展，材料不易出現(xiàn)塊狀剝落的現(xiàn)象。在藍(lán)寶石的四個晶面中，C面的斷裂韌性最大，這說明在超聲振動輔助磨削過程中，C面發(fā)生微裂紋擴(kuò)展的區(qū)域相對其他三個晶面小很多，只是由于超聲振動施加的方向使得磨痕相對變寬，因此，表面粗糙度的減小比例并不大；而M面、A面及R面的斷裂韌性則較C面小得多，材料表現(xiàn)得很脆，在施加超聲振動的過程中，磨削表面產(chǎn)生大量的微細(xì)裂紋，材料表面更易出現(xiàn)局部微破碎去除的情況，相較于普通磨削，磨削表面更多的是脆性斷裂和破碎，塊狀解理剝落的尺寸較小、深度較淺，因而表面更為平整，表面粗糙度的減小比例更大，超聲振動輔助磨削對于表面質(zhì)量的改善效果更明顯。

4 結(jié)論

(1)施加超聲振動輔助磨削時，藍(lán)寶石四個晶面的磨削力、比磨削能及表面粗糙度相對未施加超聲振動時均有所減小，工件表面損傷裂紋較小，表面質(zhì)量更好。

(2)藍(lán)寶石不同晶面施加超聲振動時的磨削力、比磨削能和表面粗糙度的減小比例不同，C面減小比例最小，A面和M面減小比例較大，而R面減小比例最大。

(3)工件材料的脆性越大，超聲輔助磨削對加工質(zhì)量的改善效果越明顯。

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(編輯 王艷麗)

Study on Characteristics of Axial Ultrasonic Assisted Grinding of Sapphire with Different Crystal Surfaces

HU Zhongwei1,2SHAO Mingjian1,2FANG Congfu2YU Yiqing2XU Xipeng1,2

1.Institute of Manufacturing Engineering，Huaqiao University, Xiamen,Fujian,361021 2.MOE Engineering Research Center for Brittle Materials Machining, Huaqiao University, Xiamen,Fujian,361021

AUAG test study was carried out on sapphire A-plane, C-plane, M-plane and R-plane, and the grinding characteristics of the four crystal surfaces of sapphire were compared with and without AUAG from the grinding forces, specific grinding energies, surface roughnesses and surface topography. The grinding forces, specific grinding energies and surface roughnesses of ultrasonic vibration assisted grinding are decreased when compared with that of general grinding, the surface damage cracks are small and the surface quality is better. However, when the ultrasonic vibration was applied to the different crystal surfaces of sapphire, the reduction rates of the grinding forces, specific grinding energies and surface roughnesses are different, the reduction rates of C-plane are the minimum, the reduction rates of M-plane and A-plane are larger, and the reduction rates of R-plane are the maximum. When ultrasonic vibration assisted grinding of four crystal surfaces of sapphire, the improvements effects of R-plane are the best, followed by the M-plane and A-plane, the improvement effect-ivenesses of C-plane are the minimum. This shows that the greater brittleness of workpiece material, the more obvious the effectiveness of ultrasonic assisted grinding on the machining quality.

sapphire; axial ultrasonic assisted grinding(AUAG); grinding characteristics; surface morphology

2016-12-13

國家自然科學(xué)基金-海峽聯(lián)合基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(U1305241)；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51675192，51575197)

TH145.9

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.11.020

胡中偉，男，1979年生。華僑大學(xué)制造工程研究院講師、博士。主要研究方向?yàn)楦咝Ь芗庸ぁＩ坫憚?，男?992年生。華僑大學(xué)制造工程研究院碩士研究生。方從富，男，1980年生。華僑大學(xué)制造工程研究院副教授、博士。于怡青，女，1966年生。華僑大學(xué)制造工程研究院教授。徐西鵬(通信作者)，男，1965年生。華僑大學(xué)制造工程研究院教授、博士研究生導(dǎo)師。E-mail：xpxu@hqu.edu.cn