燒結(jié)后生物陶瓷預(yù)熱切削性能的分析

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(1.江蘇食品藥品職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 淮安 223003；2.淮陰工學(xué)院，江蘇 淮安 223003)

0 引言

陶瓷材料隨著科技的不斷發(fā)展而應(yīng)用于眾多領(lǐng)域，如電子、機(jī)械、生物醫(yī)學(xué)以及航空航天等。生物陶瓷因其具有高硬度、高強(qiáng)度、耐腐蝕以及隔熱等諸多優(yōu)良性能已經(jīng)成為一種極其重要的生物醫(yī)用材料，燒結(jié)后氧化鋯生物陶瓷的高硬高脆等特性給切削加工帶來(lái)了一定的困難，如刀具磨損比較嚴(yán)重，切削加工時(shí)容易發(fā)生脆性斷裂破壞導(dǎo)致裂紋和凹坑等缺陷。預(yù)熱切削為加工氧化鋯陶瓷等脆硬材料提供了一種有效的方法。本文選用不同預(yù)熱溫度研究了氧化鋯陶瓷材料在預(yù)熱情況下的銑削加工，從而實(shí)現(xiàn)了生物陶瓷的增塑性切削目的。因此，對(duì)生物陶瓷的銑削加工進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究對(duì)于其應(yīng)用領(lǐng)域的拓展具有極其重要的指導(dǎo)意義。

1 預(yù)熱的實(shí)驗(yàn)方案

1.1 預(yù)熱切削的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

氧化鋯生物陶瓷預(yù)熱切削的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，主要由銑削系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)以及測(cè)量系統(tǒng)三個(gè)部分組成。

銑削系統(tǒng)主要由金剛石刀具與UCP 800五軸加工中心構(gòu)成，其主要用于材料的銑削加工；加熱系統(tǒng)由溫度傳感器、多功能加熱爐以及電源構(gòu)成，利用電能轉(zhuǎn)換成熱能對(duì)工件進(jìn)行加熱，為降低溫度對(duì)測(cè)力儀的影響，分別在加熱爐底座和固定基體之間加裝了隔熱層；測(cè)量系統(tǒng)主要包括切削力的測(cè)量、表面質(zhì)量的測(cè)量以及刀具磨損的測(cè)量?；趯?shí)驗(yàn)的要求以及現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件，搭建了氧化鋯陶瓷預(yù)熱切削實(shí)驗(yàn)裝置。

圖1 燒結(jié)后的氧化鋯生物陶瓷

1.2 預(yù)熱切削的實(shí)驗(yàn)材料

如圖1所示，實(shí)驗(yàn)材料選用Sirona公司燒結(jié)后的氧化鋯(ZrO2)陶瓷，其材料規(guī)格為50 mm×25 mm×15 mm。

1.3 預(yù)熱切削的實(shí)驗(yàn)方法

在切削燒結(jié)后的氧化鋯陶瓷過(guò)程中，為了研究不同預(yù)熱溫度下的切削性能，利用溫度傳感器來(lái)控制爐內(nèi)溫度，使得陶瓷切削過(guò)程中的溫度處于恒定的狀態(tài)，選擇的溫度分別為20℃、100℃、200℃、300℃以及400℃，不同預(yù)熱溫度下的銑削參數(shù)相同且均采用順銑方式，切削速度vc選擇為62.8 m/min，每齒進(jìn)給量fz選擇為0.02 mm，軸向切深ap選擇為3 mm，徑向切寬ae選擇為0.06 mm。

2 燒結(jié)后生物陶瓷預(yù)熱切削性能的分析

2.1 切削力的分析

圖2是燒結(jié)后氧化鋯陶瓷在不同預(yù)熱溫度下的切削力變化趨勢(shì)圖。從圖中可以看出，氧化鋯陶瓷材料處于常溫(20℃)狀態(tài)下的切削力明顯大于預(yù)熱狀態(tài)下的切削力。進(jìn)行陶瓷材料的預(yù)熱切削時(shí)，降低了金剛石切削刀具的摩擦系數(shù)，變形系數(shù)得以減小，從而降低了切削力。在陶瓷材料銑削的初始階段，因?yàn)镻CD切削刀具的刀刃比較鋒利，刀具則相對(duì)比較容易切入高硬高脆的氧化鋯生物陶瓷。因而不同預(yù)熱溫度下的切削力差值并不是太大。然而隨著切削時(shí)間的增加，切削刀具后刀面的磨損變得比較嚴(yán)重，刀刃也開(kāi)始磨鈍，在切削過(guò)程中刀具和材料的摩擦和擠壓加劇，此時(shí)不同預(yù)熱溫度下的切削力差值變得較大，常溫(20℃)條件下的切削力增加趨勢(shì)比較顯著。然而當(dāng)氧化鋯陶瓷處于預(yù)熱狀態(tài)時(shí)，切削力的增加趨勢(shì)變得較為平緩，這是由于預(yù)熱使得氧化鋯陶瓷材料得以軟化，刀刃比較容易切入陶瓷材料，降低了切削刀具與陶瓷工件之間的脆性沖擊，進(jìn)而減弱了切削刀具的磨損。此外，預(yù)熱情況下氧化鋯陶瓷材料的去除機(jī)理開(kāi)始產(chǎn)生了變化，不只是以脆性斷裂的方式去除材料，也開(kāi)始產(chǎn)生了塑性流動(dòng)方式的材料去除。通常情況下，預(yù)熱的溫度愈高，氧化鋯陶瓷材料的強(qiáng)度和硬度降低的幅度愈大，這樣就越有利于材料的塑性變形，但是受到刀具的限制，由于PCD刀具的剛性和耐熱性差，溫度愈高，刀具的磨損愈快，則使用壽命也隨之縮短。因而400℃條件下的切削力要高于其它預(yù)熱溫度下的切削力。PCD晶粒石墨化臨界溫度約為550℃，如果切削溫度超過(guò)其石墨化臨界溫度，刀具則會(huì)發(fā)生失效，進(jìn)而加劇刀具的磨損，增大切削力，使得氧化鋯陶瓷的表面加工質(zhì)量得以降低。因此在選用PCD刀具預(yù)熱銑削燒結(jié)后氧化鋯陶瓷時(shí)必須使切削溫度低于PCD刀具失效的臨界溫度。

圖2 不同溫度下的切削力

2.2 切削刀具的磨損分析

圖3為預(yù)熱溫度是100℃時(shí)切削刀具后刀面不同磨損時(shí)期的形貌。由圖可知，切削刀具的磨損帶由刀刃向后刀面進(jìn)行逐漸的擴(kuò)散，然而擴(kuò)散的程度并不均勻。刀具的磨損過(guò)程大概可以分為三個(gè)階段，即初期磨損、中期磨損以及后期磨損。在刀具的初期磨損階段，如圖3(b)所示，磨損帶靠近刀刃，在此處刀具強(qiáng)度比較弱，但是磨損帶比較小，而且在整個(gè)刀刃上磨損帶相對(duì)比較均勻；當(dāng)?shù)毒叩哪p經(jīng)歷了初期的磨損階段之后，在陶瓷的切削過(guò)程中，陶瓷顆粒對(duì)刀具的后刀面不斷的進(jìn)行刻劃、摩擦以及碰撞，其便開(kāi)始進(jìn)入了刀具磨損的中期階段，如圖3(c)所示，切削刀具的后刀面上形成了的類似于水滴狀的不均勻磨損帶，磨損不均勻的主要原因是刀具的刃磨缺陷在刀刃和后刀面上分布不均勻，這些刃磨的缺陷處都是應(yīng)力集中的區(qū)域；進(jìn)入刀具后期磨損階段之后，如圖3(d)所示，切削刀具后刀面上的水滴狀不均勻磨損帶便開(kāi)始連成一片，刀具便開(kāi)始產(chǎn)生嚴(yán)重的破損。

圖3 不同磨損時(shí)期的切削刀具后刀面形貌

圖4 刀具后刀面磨損量與切削時(shí)間的關(guān)系曲線

圖4為不同預(yù)熱溫度下切削刀具后刀面磨損量隨著切削時(shí)間變化的關(guān)系曲線。從圖中可以看出，當(dāng)燒結(jié)后的氧化鋯陶瓷處于不同的預(yù)熱溫度下，PCD刀具后刀面的磨損與理論刀具的磨損規(guī)律基本吻合。在銑削燒結(jié)后氧化鋯陶瓷的加工過(guò)程中，隨著切削時(shí)間的不斷增加，切削刀具的磨損量呈現(xiàn)逐漸增大的變化趨勢(shì)。分析其原因?yàn)椋寒?dāng)?shù)毒叩哪p達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)后，若繼續(xù)進(jìn)行銑削加工會(huì)導(dǎo)致切削溫度和切削力的急劇增加，這樣便會(huì)降低工件的加工質(zhì)量，使得工件已加工表面的粗糙度得以增加，嚴(yán)重情況下還會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)使得陶瓷的銑削加工不能正常進(jìn)行。當(dāng)PCD刀具的后刀面發(fā)生比較小的磨損時(shí)，切削刀具的刀刃比較鋒利，不同預(yù)熱溫度狀態(tài)下的后刀面的磨損量差值并不是很大，然而隨著切削時(shí)間的增加，切削刀具的磨損差值變大。在切削陶瓷材料的后期，常溫狀態(tài)下的后刀面磨損量增長(zhǎng)速度最快，刀具的磨損程度也最嚴(yán)重。當(dāng)銑削陶瓷材料40 min之后，PCD刀具后刀面在300℃下的磨損量是常溫狀態(tài)的一半。此外，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：300℃狀態(tài)下的陶瓷材料切削過(guò)程比較穩(wěn)定，這可以有效的提高切削刀具的壽命，從而保障陶瓷的加工質(zhì)量。

圖5 切削力與刀具后刀面磨損量的關(guān)系曲線

從圖5中可以看出，隨著切削刀具后刀面磨損量的不斷增加，切削力呈現(xiàn)出逐漸增大的變化趨勢(shì)。其中徑向力和切向力的增長(zhǎng)幅度并不相同，徑向力隨著刀具后刀面磨損量的增加，其增長(zhǎng)幅度比較明顯，然而切向力的增長(zhǎng)幅度并不大。分析其原因?yàn)椋旱毒咴阢娤鳠Y(jié)后氧化鋯陶瓷時(shí)，刀具刀刃對(duì)工件材料表面的擠壓產(chǎn)生徑向力，其主要與后刀面的磨損有關(guān)。當(dāng)切削刀具的后刀面發(fā)生磨損時(shí)，刀具的實(shí)際后角逐漸減小，增加了切削刀具與材料表面之間的擠壓作用，從而使得徑向力的增長(zhǎng)比較迅速[1-3]；而切削刀具前刀面產(chǎn)生的磨損是影響切向力的重要因素，在進(jìn)行陶瓷硬脆材料的切削加工時(shí)，切屑呈崩碎狀，因而切削刀具的前刀面磨損程度比較小，從而使得切向力的增加幅度不明顯。

2.3 表面粗糙度的分析

圖6 不同預(yù)熱溫度下的表面粗糙度變化

為了能夠更加直觀地對(duì)比分析不同預(yù)熱溫度下的燒結(jié)后氧化鋯生物陶瓷已加工表面粗糙度的變化規(guī)律，利用切削實(shí)驗(yàn)得出如圖6所示的曲線關(guān)系。由圖6中可知，隨著銑削時(shí)間的不斷增加，工件的表面粗糙度整體上呈現(xiàn)出逐漸增大的變化趨勢(shì)。在銑削的后期，常溫(20℃)和400℃環(huán)境下的表面粗糙度Ra值明顯大于其它溫度下的Ra值。銑削的初始階段，在第5 min之后，常溫下Ra值要大于加熱狀態(tài)下Ra值，這主要是由于材料的去除機(jī)理不同而導(dǎo)致的，常溫狀態(tài)下氧化鋯陶瓷材料以脆性斷裂方式被去除，表面形成凸凹不平鱗狀脆性斷裂面，而加熱狀態(tài)下氧化鋯陶瓷材料以塑性流動(dòng)的方式被去除，表面光滑平整。隨切削時(shí)間的增長(zhǎng)，PCD刀具不斷磨損，材料的去除機(jī)理也發(fā)生變化，由塑性變形向脆性斷裂過(guò)渡，但是100℃、200℃和300℃環(huán)境下的Ra值依然要小于常溫和400℃下的Ra值，增加的幅度并不大。然而并不是溫度愈高，氧化鋯陶瓷材料愈容易以塑性變形的方式被去除，同時(shí)也需要考慮切削刀具的耐熱性以及耐磨損性。刀具的磨損對(duì)氧化鋯陶瓷材料以何種方式被去除也會(huì)產(chǎn)生重要的影響。影響氧化鋯陶瓷表面粗糙度的因素是多樣性的，任何單一指標(biāo)都無(wú)法準(zhǔn)確而又比較全面的反映它們之間的影響關(guān)系。

3 小結(jié)

本文對(duì)不同預(yù)熱溫度下燒結(jié)后的氧化鋯生物陶瓷進(jìn)行銑削加工的實(shí)驗(yàn)研究，研究了燒結(jié)后氧化鋯生物陶瓷的切削性能，主要包括切削力的分析、切削刀具磨損的分析以及表面粗糙度的分析，得出以下主要結(jié)論：

1)氧化鋯生物陶瓷處于常溫(20℃)狀態(tài)下的切削力要明顯高于預(yù)熱狀態(tài)下的切削力。預(yù)熱情況下氧化鋯陶瓷材料的去除機(jī)理開(kāi)始發(fā)生變化，它并不只是脆性斷裂方式去除材料，而且開(kāi)始產(chǎn)生塑性流動(dòng)的方式進(jìn)行材料去除，從而實(shí)現(xiàn)氧化鋯生物陶瓷的增塑性切削，并且陶瓷材料獲得了比較好的表面加工質(zhì)量。在選用PCD刀具預(yù)熱銑削燒結(jié)后氧化鋯陶瓷時(shí)必須使切削溫度低于PCD刀具失效的臨界溫度。

2)當(dāng)燒結(jié)后的氧化鋯陶瓷處于不同的預(yù)熱溫度下，PCD刀具后刀面的磨損與理論刀具的磨損規(guī)律基本吻合。在銑削燒結(jié)后氧化鋯陶瓷的加工過(guò)程中，切削刀具的磨損量隨著切削時(shí)間的不斷增加而呈現(xiàn)逐漸增大的變化趨勢(shì)。當(dāng)氧化鋯陶瓷切削40 min之后，PCD刀具后刀面在300℃下的磨損量是常溫狀態(tài)的一半。此外，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：300℃條件下的銑削過(guò)程比較穩(wěn)定，這可以有效提高切削刀具的壽命。

3)隨著銑削時(shí)間的增加，表面粗糙度整體上呈現(xiàn)逐漸增加的變化趨勢(shì)，在銑削的后期，常溫(20℃)和400℃環(huán)境下的表面粗糙度Ra值明顯大于其它溫度下的Ra值。隨著切削深度的不斷增大，樣件的表面粗糙度則呈現(xiàn)出不斷增加的變化趨勢(shì)，但是增長(zhǎng)的幅度不是很大。

[1] 秦真江，孫全平，吳海兵，等.牙科氧化鋯陶瓷增塑性銑削機(jī)理研究[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2014 (12)：157-161.

[2] 鄧建新，艾興，馮益華.陶瓷刀具切削加工時(shí)的磨損和潤(rùn)滑及其與加工對(duì)象的匹配研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2002，38(4)：40-45.

[3] 薛建勛，孫全平.氧化鋯陶瓷切削加工有限元仿真分析[J].中國(guó)陶瓷，2012，48(10)：28-29.