陶瓷材料的超聲輔助銑磨削加工技術

陳發勝，蘇長發，張占華，李玉寶，杜小孔，薛曉飛

（中國航天電子技術研究院7107廠，寶雞721006）

0 引言

陶瓷材料由于具有高熔點、高硬度、高耐磨性、耐氧化、良好的絕緣性等優點，使得其在航空航天領域得到廣泛的應用。陶瓷加工主要有機械加工、電加工（包含電火花加工、離子束加工、等離子體加工等）、化學加工（包含蝕刻加工、化學研磨、化學拋光）、超聲波加工（包含超聲波磨削加工、超聲波研磨加工等）、激光加工和復合加工（包含光刻加工、ELID加工等）等。其中，機械加工是傳統的加工技術，也是應用范圍最廣的加工方法；電加工、化學加工技術屬于精細、微量精密加工；超聲波加工、激光加工以及復合加工等屬于新興、前沿加工技術，國內外研究較多。

采用單一的機械加工、電加工、化學加工、超聲波加工等加工方法，易引入微裂紋等非本征缺陷和殘余應力等加工缺陷，造成陶瓷產品加工方法單一、產品合格率低、產品表面微觀質量低，難以滿足陶瓷產品的加工需求。隨著國內外陶瓷加工理論研究的深入和新技術的成熟，綜合運用機械加工及先進的電火花、超聲波、激光、微波等相復合的加工技術，成為陶瓷加工領域發展的必然趨勢。

在此背景下，本文通過在常規的銑磨削加工基礎上引入超聲加工理論，運用理論分析、試驗驗證以及仿真分析等手段，實現了對陶瓷材料的超聲輔助銑磨削復合加工，從而達到提高陶瓷產品的成品質量和合格率、降低生產成本、縮短生產周期，以滿足客戶的訂單需求。

1 陶瓷的特性及加工機理

工程陶瓷材料（以下簡稱陶瓷）如Si3N4、Al2O3、SiC、ZrO2等具有良好的絕緣性、耐熱性、耐磨性和耐化學腐蝕性，同時具有輕質、耐高溫、熱膨脹系數小、抗熱震能力、自潤滑能力及摩擦系數低等優異性能，目前已廣泛應用在了能源工程行業、汽車行業、機械行業、化工石油行業、冶金建材行業以及航空航天領域、軍事工程領域等［1-2］。

陶瓷材料的加工技術通常分為三類：特種加工技術（電加工、化學加工、超聲波加工、激光加工）、復合加工技術和機械加工技術。目前，機械加工技術在工程陶瓷加工中的應用最為廣泛。其中，使用金剛石砂輪進行磨削加工或合金刀具進行車銑加工技術較成熟，同屬于切削加工。

實際上，加工過程本身就是一種對材料可控性的破壞過程，是在微觀上對被加工材料的一種可控性、破壞性去除方式。陶瓷材料內部依次經歷了預制微裂紋的迅速擴展貫通及斷裂過程，直到材料破碎去除。

陶瓷的破壞是一個微裂紋不斷增長的損傷過程和亞臨界裂紋擴展過程，它屬于損傷力學范疇。損傷力學可以看作是斷裂力學的前期，兩者的分界是當稠密的缺陷中的一個比其他缺陷發展得快或者由于別的原因被分離出來發展成一條主裂紋時，便進入斷裂力學領域。損傷力學認為工程材料在各種載荷和不利環境條件下其強度將隨時間逐漸減小，這是因為材料內部的微觀結構和缺陷在不斷地增加和積累，這種損傷過程是不可逆的，最終將導致主裂紋的出現和斷裂。材料的損傷大致可分為四類，即蠕變損傷、延塑性損傷、疲勞損傷及脆化。它主要考慮材料微觀的變化，認為材料內部微缺陷和空洞等不能承受應力。因而，實際承受力的面積比原來要小，宏觀彈性模量也隨損傷的不同而減小。

目前，無論是磨削加工或車銑加工均是利用工具與被加工零件之間的相對高速運動對材料表面進行滑擦、耕犁、切削去除材料。它們都有一個共同特點，即在加工過程中會產生大量的加工熱。由于熱量不能及時傳遞出加工區，使得加工區的溫度較高，導致加工后的表面產生一定程度的熱損傷，形成殘余熱應力和微觀裂紋等表面缺陷。材料的性能特別是其力學性能不僅決定于材料本身的性能，同時也明顯的受到材料表面狀況的影響。表面的不完整性不僅能大大降低了材料的性能，而且也降低了材料使用時的可靠性。由于陶瓷材料的彈性模量和脆性較大，所以對表面損傷的敏感程度也遠遠大于其他金屬類材料，使得陶瓷材料使用時的可靠性較差。因此，研究各種加工方法對陶瓷材料力學性能的影響程度，對于改善加工工藝、提高材料性能、增加可靠性具有重要意義。陶瓷材料由于采用熱壓燒結而成，組織結構不完全致密，含有少量氣孔。同時由于工藝原因，材料中存在少量雜質、硬質點等類裂紋缺陷，所以材料本身的性能具有一定的分散性。如前所述，后續加工對材料表面的損傷使其分散性更大。切削加工從本質上都是利用工具在材料表面產生滑擦、耕犁和切削來去除材料［3］。對于金屬類材料，由于其硬度遠小于磨粒的硬度，所以切削時一般會產生塑性變形，因而產生加工硬化。而對于工程陶瓷類材料，主要靠產生微小的碎斷切屑而去除材料。同時，由于切削熱的作用，也會產生熱致裂紋［4］。

陶瓷材料在常規加工過程中，因受到熱應力、機械應力等作用，將產生切削表面／亞表面裂紋、表面破碎、邊緣碎裂等脆性損傷，它們隨機發生且難以控制。缺陷前沿形成局部應力集中，易引發材料內部裂紋萌生或擴展，成為損壞陶瓷磨削表面品質和強度性能的潛在裂紋源［5］。由于工程陶瓷對裂紋、殘余拉應力等缺陷非常敏感，使得在加工過程中工程陶瓷的質量普遍難以控制［6］。

2 超聲振動加工機理

超聲振動切削是刀具以15kHz～50kHz的頻率沿切削方向高速振動的一種特種切削加工技術，超聲振動切削從微觀上看是一種脈沖切削。在一個振動周期中，刀具的有效切削時間很短，大于80%時間里刀具與工件、切屑完全分離。刀具與工件切屑斷續接觸，這使得刀具所受到的摩擦變小，產生的熱量大大減少，切削力顯著下降。

超聲振動銑磨加工技術是一種將超聲振動與機械磨削和銑削相復合的加工技術。在加工過程中，金剛石工具在高速旋轉的同時還沿軸向作高頻超聲波振動，加工中的進給運動方式采用銑削模式。

由于在高速旋轉的金剛石工具上附加有高頻超聲波振動，刀具與工件周期性地接觸和分離，有利于：1）抑制砂輪堵塞，避免磨削燒傷；2）減小磨削力，抑制裂紋的產生與擴展，減少加工表面損傷；3）超聲振動的引入使切削液產生 “空化”作用，更容易進入切削區，切削液的冷卻和潤滑作用得到了充分發揮，有益于降低磨削區溫度，提高工具的使用壽命。

與傳統銑、磨削工藝方法相比，超聲振動銑磨加工在提高工具壽命、加工精度、表面質量以及加工效率方面具有明顯的技術優勢。然而由于加工過程中高頻超聲振動的引入，使得超聲振動輔助銑磨加工的材料去除機理有別于普通磨削。

超聲振動銑磨加工使用的刀具為電鍍金剛石顆粒磨棒，磨粒形狀通常為帶有負前角的尖銳金剛石顆粒。加工過程中，磨料對工件材料的作用與印壓過程中壓頭對工件的作用相近。研究中以壓痕斷裂力學為基礎對材料的去除過程進行分析，即通過研究印壓過程中陶瓷材料的裂紋產生及擴展機制，分析材料的微去除機理［7］。

如圖1所示，根據彈塑性壓痕理論，可計算出彈塑性應力場的彈性應力場強度Ke和塑性應力場強度Kr。求出Ke和Kr后，即可確定載荷與裂紋長度的關系。

圖1 彈塑性壓痕應力場Fig.1 Elastoplastic indentation stress field

則彈性應力場強度可表示成如下形式

式（1）中，χe為彈性構件幾何特征，與材料性能、壓頭形狀、裂紋位置等有關；P為集中載荷；c為裂紋尺寸。

塑性應力場強度可表示成如下形式

式（2）中，χr為彈性構件幾何特征，與材料性能、壓頭形狀、裂紋位置等有關。

將式（1）和式（2）代入式（3）中， 得到載荷與裂紋長度之間的關系

由式（4）可知：P∝c3／2， 壓痕裂紋尺寸與壓痕載荷正相關。

臨界情況下， 通過式（5）可得，P*∝（c*）3／2。

陶瓷壓痕過程中，還會產生側向裂紋系統。壓頭卸載階段，由于接觸區域陶瓷彈塑性變形不協調，會在彈塑性邊界上產生殘余應力。殘余應力在距材料表面一定深度處表面法向方向上形成一個集中力，該集中力會在距離材料表面一定深度處產生側向裂紋并驅動裂紋擴展。平衡條件下，壓痕載荷與側向裂紋尺寸之間的關系為

綜上所述，陶瓷材料在壓頭（磨粒）作用下會發生彈塑性變形，在壓力超過臨界值時最終產生中位裂紋。在磨粒切過表面后的卸載過程中，中位裂紋不會繼續擴展。而由于殘余應力的影響，可能在距材料表層一定深度處形成側向裂紋。中位裂紋和側向裂紋的產生和擴展與正壓力P*正相關。中位裂紋的存在對加工表面質量影響很大，在加工過程中要盡量避免。

3 超聲振動銑磨試驗分析

使用Willemin518S Ultrasonic五軸聯動超聲振動加工中心對陶瓷材料進行加工試驗，并用Taylor Hobson表面輪廓儀等測量儀器對工件表面粗糙度等相關參數進行檢測。

3.1 超聲振動銑磨削與普通磨削的對比

圖2為超聲振動磨削和普通磨削的對比試驗。其中，銑磨削深度ap為 80μm，進給速度vf為500mm／min，振幅A為100%。從圖2可以看出，表面粗糙度隨主軸轉速的提高而下降。在相同的加工參數下，施加超聲振動工件的表面粗糙度明顯小于未施加超聲振動的工件。當對刀具施加超聲振動后，刀具與工件的周期性分離能提高切削液的冷卻潤滑效果，減少加工過程中的摩擦，降低砂輪磨損和加工過程中熱量的產生，加速加工過程中熱量的排放，避免加工過程中發生工件“燒傷”。在超聲振動磨削中，單顆金剛石磨粒相對工件的運動軌跡為正弦曲線，單位時間內的有效切削長度增加，提高了材料的去除率。刀具周期性的撞擊過程中，工件表面附近大量產生橫向裂紋，橫向裂紋擴展閉合導致材料去除，能夠有效提高表面質量。

圖2 超聲振動銑磨削與普通磨削的對比Fig.2 Comparison between ultrasonic vibration milling grinding and conventional grinding

圖3為陶瓷工件在主軸轉速n＝4000r／min、磨削深度ap＝80μm、 進給速度vf＝500mm／min時的下表面微觀形貌。圖3（a）表面相對圖3（b）表面破損更為嚴重，這表明施加超聲振動后工件材料以塑性變形方式去除的比例升高，以脆性斷裂方式去除的比例降低，工件表面裂紋擴展所形成的單顆磨屑體積更小。因此，超聲振動磨削工件表面粗糙度明顯低于普通磨削。

圖3 工件表面微觀形貌Fig.3 Microstructure of workpiece surface

3.2 工藝參數對工件表面質量的影響

（1）主軸轉速對加工表面質量影響

圖4為在磨削深度ap＝80μm、進給速度vf＝450mm／min、振幅A＝100%時，主軸轉速對表面粗糙度的影響?？梢钥闯?，表面粗糙度隨主軸轉速的增加而降低。隨機床主軸轉速的增加，單顆磨粒的磨削速度也相應提高，單位時間內單顆磨粒參與磨削的次數增加，這樣在多個磨粒的交互作用下，工件表面的殘留高度減小，從而表現為表面粗糙度降低的趨勢。當主軸轉速為n＝6000r／min時，主軸轉速的進一步增加造成表面粗糙度的下降趨勢減小。這是由于在磨削速度較低時，產生的磨削熱不多，同時在磨削液的冷卻作用下，磨削熱對加工過程的影響幾乎可以忽略不計。但是，當磨削速度提高到一定程度時，磨削過程中產生的磨削熱會對工件表面產生一定的影響，造成表面粗糙度的下降趨勢減小。

在主軸轉速提高的情況下，單顆磨粒的最大切削深度減小，所受的磨削力減小。加工過程中，裂紋的產生和擴展與磨削力的大小有密切的關系，對比圖 5（a）和圖 5（b）可發現， 主軸轉速n＝8000r／min時的工件表面粗糙度明顯減小。

圖4 主軸轉速對表面粗糙度的影響Fig.4 Effect of spindle speed on surface roughness

圖5 不同主軸轉速下的三維形貌Fig.5 Three-dimensional topography at different spindle speeds

（2）磨削深度對加工表面質量的影響

圖6為在主軸轉速n＝8000r／min、進給速度vf＝500mm／min、振幅A＝100%時，磨削深度與表面粗糙度的關系?？梢钥闯?，磨削深度增加，表面粗糙度值也在不斷升高。隨著磨削深度增大，單顆磨粒與工件的切削深度也增大，在其他工藝參數不變的情況下，工件表面殘留高度增加，表面粗糙度增大。同時，增大磨削厚度又使單磨粒磨削弧長增大，單顆磨粒未變形磨削厚度變大，增大磨削過程中的磨削力，工件材料容易以脆性斷裂的方式從表面去除。 從圖7（a）和圖 7（b）的對比可以看出，磨屑以更大的體積離開工件表面，造成表面留下較深的凹坑，增大了表面粗糙度。

圖6 磨削深度對表面粗糙度的影響Fig.6 Effect of grinding depth on surface roughness

圖7 不同銑磨削深度下的三維形貌Fig.7 Three-dimensional topography at different milling and grinding depths

（3）進給速度對加工表面質量影響

圖8為在主軸轉速n＝8000r／min、磨削深度ap＝5μm、振幅A＝100%時，進給速度與表面粗糙度的關系?？梢钥闯?，隨著進給速度的增加，表面粗糙度值不斷增加，呈現出較為一致的的趨勢。這是由于在一定的主軸轉速下進給速度越快，對于單顆磨粒而言，與工件接觸的次數減少，參與磨削時間變短。增大單磨粒最大磨削厚度，使工件材料以脆性斷裂方式去除比例增加，表面粗糙度值升高。同時，增大進給速度，使磨粒之間的相對間距增大，會使工件已加工表面上的殘留理論高度增加，進而增大表面粗糙度。

圖8 進給速度對表面粗糙度的影響Fig.8 Effect of feed speed on surface roughness

盡管工件表面粗糙度值隨進給速度的變化趨勢是一致的，但變化程度卻相差很大。在進給速度由50mm／min增大到200mm／min的過程中，工件表面粗糙度值呈穩步增大狀態，且增加幅度不大，如圖9（a）所示。當進給速度為50mm／min時，表面質量較好；但當在進給速度由200mm／min增大到500mm／min的階段，工件表面粗糙度值增加幅度明顯增大。如圖9（b）所示，表面質量較差。

圖9 不同進給速度下的三維形貌Fig.9 Three-dimensional topography at different feed speeds

（4）超聲振動振幅對加工表面質量影響

圖10為在主軸轉速n＝8000r／min、磨削深度ap＝5μm、 進給速度vf＝50mm／min時， 超聲振動振幅與表面粗糙度的關系?？梢钥闯?，表面粗糙度隨振幅的增加而降低。當超聲振動振幅較小時，刀具與工件分離現象不明顯，刀具對工件的撞擊作用較小，材料去除類似與普通磨削去除，表面粗糙度較大。隨著振幅的增大，刀具與工件分離現象和撞擊作用逐漸明顯，對表面粗糙度的降低作用明顯。當振幅為70%時，進一步增大振幅對降低加工表面粗糙度的作用逐漸不明顯，因此后期提高振幅影響不大。

圖10 振幅對表面粗糙度的影響Fig.10 Effect of amplitude on surface roughness

圖11 不同振幅下的三維形貌Fig.11 Three-dimensional topography at different amplitudes

從圖11的三維形貌對比可以看出，振幅比例為70%時，表面缺陷分布較小且均勻；而振幅比例為10%時，表面存在較大面積的不均勻缺陷，降低了表面粗糙度?？梢钥闯?，增大振幅可以一定程度提高加工表面質量。

4 超聲振動銑磨加工材料去除的仿真研究

為研究超聲振動對銑磨加工中材料去除過程的影響，針對陶瓷材料的磨削加工和超聲振動銑磨加工過程進行仿真分析。仿真過程中，在加載方向上給壓頭施加正弦超聲振動，分析在超聲振動壓頭作用下的工件應力場變化情況。除壓頭做超聲振動外，其他邊界和約束條件與普通加工仿真一致。

圖12～圖16給出了超聲振動壓痕過程中工件的應力狀態云圖。加載與卸載過程中各階段，通過壓頭當前壓入深度h與最大位移處壓頭壓入深度hmax的比值來表示，當h／hmax＝100%，表示壓頭到達最大位移處，而h／hmax＝0%表示壓頭完全卸載。

圖12 超聲壓頭加載h／hmax＝80%應力云圖Fig.12 Stress nephogram of ultrasonic head loading when h／hmax＝80%

圖13 超聲壓頭加載h／hmax＝100%應力云圖Fig.13 Stress nephogram of ultrasonic head loading when h／hmax＝100%

圖14 超聲壓頭加載h／hmax＝100%靜水應力云圖Fig.14 Hydrostatic stress nephogram of ultrasonic head loading when h／hmax＝100%

圖15 超聲壓頭卸載h／hmax＝80%壓力云圖Fig.15 Pressure nephogram of ultrasonic head unloading when h／hmax＝80%

圖16 超聲壓頭卸載h／hmax＝0%應力云圖Fig.16 Stress nephogram of ultrasonic head unloading when h／hmax＝0%

由仿真結果可以看出（圖12），加載初始階段聲壓頭加載時，工件內部應力影響區域小于普通加工，壓頭上升階段易在表面產生應力集中，產生側向裂紋。圖13和圖14為壓頭處于最大壓入深度（h／hmax＝100%）時的應力和靜水應力分布，與普通加工對比可知，最大壓深時壓頭下方最大拉應力區域較小，中位裂紋深度小于普通加工，靜水應力最大值略有減少。卸載時，最大拉應力逐漸向壓頭側面與工件交界處表面下方轉移（圖15），拉應力值小于普通加工。圖16為壓頭完全卸載時（h／hmax＝0%）的應力分布，可以看出，超聲振動壓痕殘余應力區域小于普通加工。

結果表明，超聲振動能減小陶瓷加工應力及其影響區域，有益于抑制裂紋的產生與擴展，提高加工表面質量。

5 結論

通過陶瓷材料的特性及加工機理進行理論分析，在常規的銑磨削加工基礎上引入超聲加工理論，運用理論分析、試驗驗證以及仿真分析等手段，經過大量的銑磨削加工和超聲振動銑磨加工試驗以及仿真分析驗證，實現了對陶瓷材料的超聲輔助銑磨削加工。結果表明，運用超聲振動銑磨削方法加工的陶瓷產品表觀質量、加工后的殘余應力等方面均優于普通銑磨削加工方式。所加工陶瓷產品表面粗糙度可達Ra0.56μm，崩邊、裂紋等影響產品質量的缺陷大幅降低，影響產品表觀質量及結構性能的殘余應力得到有效控制。