碳化硅陶瓷超聲波輔助磨削表面完整性研究

侯保江,水涌濤,孫向春,安亞青

(1.北京航天長征飛行器研究所， 北京 100076；2.中國運載火箭技術研究院， 北京 100076)

隨著光機電領域的技術進步，各種掃描儀、投影機、數碼相機等新產品對光學透鏡的需求量巨大。特別是近幾年智能手機的蓬勃發展，對小型光學鏡頭的需求量也越來越大。現在，一般采用熱沖擊的方法來制造小型光學鏡頭。用于熱沖擊的模具要求具有耐高溫、耐反復沖擊的特性，碳化硅陶瓷具有優異的耐高溫特性、化學安定性等優良的物化特性，所以碳化硅陶瓷適宜于制造小型光學鏡頭所用的模具。但和其他的半導體材料的材料特性類似，碳化硅單晶也是典型的硬脆材料，具有材料硬度高、斷裂韌性低及化學穩定性高等特性。迄今為止，碳化硅陶瓷模具的內圓加工均采用的手工打磨的方法進行，其加工時間長、加工成本高，同時加工精度不能保證[1-2]。

為了解決現在碳化硅陶瓷內圓加工中存在的問題，本研究提出超聲波輔助內圓磨削的方法。超聲波輔助磨削綜合了超聲波振動及金剛石磨削的特點，具有改善表面質量、降低磨削力、減少砂輪堵塞等優點[2-3]。但目前對硬脆材料超聲磨削的表面完整性研究較少，且研究多采用實驗的方法探索加工過程參量對材料去除結果的影響規律方面，闡明磨削過程的表面完整性特性對實現其高效高精密加工有重要的意義。

本研究將超聲波振動運用到內圓磨削中，通過觀察并對比超聲波輔助內圓磨削及普通磨削的表面完整性，確定碳化硅陶瓷超聲波輔助內圓磨削的延性-脆性轉移特性，以明確碳化硅陶瓷超聲波輔助磨削的加工特性。

1 加工原理及實驗條件

超聲波輔助內圓磨削裝置如圖1所示，工件以一定轉速(表1中的nw)旋轉的同時，超聲波振動(頻率f，振幅A)施加在砂輪(旋轉速度ng)的軸向，在砂輪的徑向施加進給速度Vc，從而實現超聲波內圓磨削。為了改善內圓面的加工質量，砂輪在進行磨削的同時也在工件的軸向進行往復運動。

圖1 超聲波輔助內圓磨削裝置

基于上述原理，在內圓磨床(岡本GRIND-X IGM15EX)上構建了超聲波輔助內圓磨削裝置。超聲波振動系統采用URT40超聲波發生裝置，為了記錄磨削過程的磨削力的變化在超聲波主軸的下方放置了三向測力儀。超聲波主軸上裝有直徑為6 mm的砂輪，使用的碳化硅陶瓷工件內徑12 mm、外徑22 mm，長13 mm。實驗過程冷卻液為60倍稀釋乳化液，磨削后工件內面的表面完整性通過掃描電鏡(ELIONIX公司ERA-8900)觀察。實驗條件如表1所示。

2 試驗結果

在磨削過程中相對于工件單顆磨粒的最大切削深度gm可以表示為[4]

(1)

式中：a為連續切削刃間隔；Vw為工件的線速度；Vg為砂輪的線速度；Δ為砂輪的半徑切削量，De為砂輪的當量直徑。在內圓磨削中砂輪的當量直徑為[4]:

(2)

式中：Dg為砂輪的直徑；Dw為工件的直徑。連續切削刃間隔a的表達式為[5]:

(3)

式中：M為粒度的編號；ηg為磨粒占砂輪的體積率。

表1 實驗條件

圖2(a)及圖2(b)為砂輪轉速4 000 r/min時，通過掃描電鏡觀察的普通內圓磨削及超聲波輔助內圓磨削的內圓表面形貌圖。根據式(1)～式(3)，此時單顆磨粒的最大切削深度gm=0.069 μm。圖3(a)及圖3(b)為砂輪轉速3 000 r/min時，通過掃描電鏡觀察的普通內圓磨削及超聲波輔助內圓磨削的內圓表面形貌圖，此時單顆磨粒的最大切削深度gm=0.093 μm。

圖2 Vg=4 000 r/min條件下碳化硅內圓表面形貌

在gm=0.069 μm時，普通內圓磨削生成的工件表面可以觀察到局部呈現脆性破壞，同時也可以看到延性面。與之相對的是，在超聲波輔助內圓磨削生成的表面幾乎看不到脆性破壞。這表明此時普通的內圓磨削的磨削模式為延性-脆性混合域磨削，而超聲波輔助內圓磨削的磨削模式為延性域磨削。在gm=0.093 μm時，普通內圓磨削生成的工件表面幾乎都為脆性破壞形成的表面，而超聲波輔助內圓磨削生成的表面只在局部可以看到脆性破壞形成的表面。這表明此時普通的內圓磨削的磨削模式為脆性域磨削，而超聲波輔助內圓磨削的磨削模式為延性-脆性混合域磨削。

以上的結果說明，碳化硅陶瓷超聲波輔助內圓磨削相對于普通內圓磨削更容易實現延性域磨削。本研究的結果表明碳化硅陶瓷普通內圓磨削的延性-脆性轉移點為gm=0.069 μm，而碳化硅陶瓷超聲波輔助內圓磨削的延性-脆性轉移點為gm=0.093 μm。

圖3 Vg=3 000 r/min條件下碳化硅內圓表面形貌

3 結論

提出了碳化硅陶瓷超聲波內圓磨削的方法。通過實驗表明，超聲波輔助內圓磨削更容易實現延性域的磨削，碳化硅陶瓷普通內圓磨削的延性-脆性轉移點為gm=0.069 μm，而碳化硅陶瓷超聲波輔助內圓磨削的延性-脆性轉移點為gm=0.093 μm。