氧化鋁陶瓷旋轉超聲銑磨加工表面粗糙度研究①

2022-09-09 05:18:06董金善楊林娟

礦冶工程 2022年4期

王磊，董金善，楊林娟，

（1.南通職業大學機械工程學院，江蘇南通 226007；2.南京工業大學機械與動力工程學院，江蘇南京 211816）

隨著航空航天、過程裝備等行業的快速發展，硬脆材料的需求日益增多。氧化鋁陶瓷是研究和應用較廣泛的一種工程陶瓷，具有熔點高、硬度高、絕緣性能好、耐蝕性能好等優點，被廣泛用作高溫結構材料、耐腐蝕材料、電絕緣材料等［1?3］。由于這類材料硬度大、脆性強，普通銑磨加工后工件易出現表面損傷，機械性能較差［4?5］。旋轉超聲銑磨是在普通銑磨加工中施加超聲振動的一種加工方式，具有表面質量好、材料去除率高等加工優勢［6?8］。目前國內外已有部分學者在旋轉超聲條件下對氧化鋁陶瓷加工進行了實驗研究［9?11］，但對不同加工條件下旋轉超聲銑磨氧化鋁陶瓷表面粗糙度的影響規律研究較少。本文以氧化鋁陶瓷為被加工對象，在不同加工條件下進行了普通銑磨和旋轉超聲銑磨的對比試驗，研究了加工工件的表面粗糙度隨超聲功率、砂輪線速度、進給速度、銑磨深度以及砂輪粒度的變化規律，對提高氧化鋁陶瓷的加工質量具有借鑒意義。

1 試驗

1.1 試驗設備及原理

本次試驗在CY?VMC850加工中心上進行。試驗平臺如圖1所示。超聲刀柄裝夾于機床主軸處，待加工材料黏結于金屬墊塊上，通過臺虎鉗夾緊后跟隨機床工作臺以一定的方向和速度作進給運動。當進行超聲銑磨加工時，超聲裝置的工作原理是：當超聲電源發出高頻電信號后，基于電磁感應原理將電能傳遞至超聲刀柄上的線圈，再經過換能器轉換、變幅桿放大，最終將振動作用傳遞至砂輪上。該裝置關閉超聲電源后即轉換為普通銑磨加工設備。

圖1 試驗平臺

1.2 試驗材料及方法

選用氧化鋁陶瓷材料作為加工對象，工件長50 mm、寬50 mm、厚6 mm，材料性能參數如表1所示。加工刀具為小直徑電鍍金剛石砂輪，規格為Φ14 mm×10 mm，粒度分別選用170＃和80＃。采用干磨方式對工件側面進行銑磨加工，通過調節機床工作臺進給速度來實現工件進給速度的變化，各加工參數如表2所示。采用型號為TR240的表面粗糙度測量儀測量試驗后工件表面粗糙度，采用型號為KH?7700的超景深顯微鏡觀察分析試驗后工件表面形貌。

表1 材料性能參數

表2 加工參數

2 試驗結果與分析

2.1 超聲功率對表面粗糙度的影響

砂輪粒度170＃，vs＝2.56 m／s、vw＝100 mm／min、ap＝7 μm條件下進行氧化鋁陶瓷銑磨試驗，工件表面粗糙度隨超聲功率的變化規律如圖2所示。結果表明，當超聲功率從0增大到90 W時，工件表面粗糙度從1.23 μm下降到1.04 μm，降低幅度約為14.8%。增大超聲功率對改善工件表面粗糙度有顯著作用，這是因為超聲振動使得砂輪上磨粒對工件的切削軌跡發生了變化。圖3為在不同超聲功率條件下銑磨時磨粒的切削軌跡。當超聲功率為P1和P2時砂輪振動幅度分別為A1和A2，由于P1＜P2，故A1＜A2；δ表示初始時相鄰兩顆磨粒的間距。當超聲功率為0，即普通銑磨時，加工軌跡由多條平行的直線構成，工件表面被切削的范圍及材料去除能力有限。旋轉超聲銑磨時，超聲功率為P1，砂輪在進行旋轉運動的同時加入了軸向振動運動，使加工軌跡由多條正弦曲線構成，曲線與曲線之間有交疊干涉的部分。這就意味著單位時間內工件表面被切削的范圍增大、次數增多，能更加有效地去除工件材料。超聲功率增加至P2，正弦軌跡曲線的變化幅度變大，加工軌跡覆蓋的范圍更廣，切削路徑更長，軌跡交疊的范圍也越大，工件表面被切削的次數也越多，殘留在工件表面上的材料更容易被切除，故表面粗糙度降低。此外，由于旋轉超聲的高頻振動切削特性，降低了磨削力，去除陶瓷材料時產生的崩碎現象減輕，工件表面平整性變好，改善了工件的表面粗糙度。

圖2 超聲功率與表面粗糙度的關系

圖3 切削軌跡示意

超聲功率0和90 W加工工件表面形貌如圖4所示。由圖4可見，超聲功率為0，即普通銑磨后，工件表面存在多條互相平行的劃痕，殘留的碎屑多，破碎量大，平整性差，其表面粗糙度較高；超聲功率為90 W，即旋轉超聲銑磨后，工件表面只存在少許交叉重疊的正弦曲線劃痕，殘留的碎屑及破碎量較少，表面相對平整，表面粗糙度較低。

圖4 超聲功率與表面形貌的關系

2.2 砂輪線速度對表面粗糙度的影響

砂輪粒度170＃、vw＝100 mm／min、ap＝7 μm條件下對氧化鋁陶瓷進行普通／超聲銑磨試驗，表面粗糙度隨砂輪線速度的變化規律如圖5所示。結果表明，砂輪線速度從1.09 m／s增加到5.49 m／s時，普通銑磨表面粗糙度從1.36 μm下降到1.02 μm，旋轉超聲銑磨表面粗糙度從1.22 μm下降到0.87 μm，表面粗糙度均隨著砂輪線速度提高而下降。與普通銑磨相比，旋轉超聲銑磨后工件的表面粗糙度值更小，其表面粗糙度下降幅度為10.6%～19.3%。這是由于增大砂輪線速度后，單位時間內砂輪磨粒與工件表面接觸次數增多，單顆磨粒切削厚度變小，工件表面殘留的材料體積能被有效去除。此外，提高砂輪線速度也會導致切削溫度升高，一定程度上使得加工表面上材料軟化，減輕材料去除時產生的崩碎現象，表面粗糙度得到改善。

圖5 砂輪線速度與表面粗糙度的關系

2.3 進給速度對表面粗糙度的影響

砂輪粒度170＃、vs＝2.56 m／s、ap＝7 μm條件下對氧化鋁陶瓷進行普通／超聲銑磨試驗，表面粗糙度隨進給速度的變化規律如圖6所示。結果表明，工件進給速度從100 mm／min增加到550 mm／min時，普通銑磨后表面粗糙度從1.23 μm上升到1.51 μm；旋轉超聲銑磨后表面粗糙度從1.04 μm上升到1.39 μm。無論是普通銑磨還是旋轉超聲銑磨，進給速度增大時，表面粗糙度均呈增大趨勢。與普通銑磨相比，旋轉超聲銑磨后工件表面粗糙度值更小，其表面粗糙度下降的幅度為7.6%～14.8%。提高了進給速度后，砂輪磨粒與工件表面在單位周期內的接觸頻率減小，單顆磨粒的切削厚度增大，工件表面殘留的材料體積變多，陶瓷材料不能充分去除。同時增大進給速度會使磨削力增大，導致工件表面材料崩碎斷裂嚴重，工件表面的凹凸不平程度嚴重，表面粗糙度增大。

圖6 進給速度與表面粗糙度的關系

2.4 銑磨深度對表面粗糙度的影響

砂輪粒度170＃、vs＝2.56 m／s、vw＝100 mm／min條件下對氧化鋁陶瓷進行普通／超聲銑磨試驗，表面粗糙度隨銑磨深度的變化規律如圖7所示。結果表明，銑磨深度從7 μm增加到22 μm時，普通銑磨后表面粗糙度從1.23 μm上升到1.53 μm，旋轉超聲銑磨后表面粗糙度從1.04 μm上升到1.45 μm。無論是普通銑磨還是旋轉超聲銑磨，銑磨深度增大時，表面粗糙度均增大。與普通銑磨相比，旋轉超聲銑磨后工件表面粗糙度值更小，其表面粗糙度下降幅度為5.2%～14.8%。提高了銑磨深度后，砂輪磨粒在單位時間內去除材料的體積更多，單顆磨粒的切削厚度增大，工件表面殘留的材料體積增多，加工時留下的劃痕較深，同時磨削力的增加使得加工時工件材料的崩碎斷裂較為嚴重，工件表面的起伏波動較大，表面粗糙度增大。

圖7 銑磨深度與表面粗糙度的關系

2.5 砂輪粒度對表面粗糙度的影響

按表3所示方案，研究了不同粒度砂輪所得氧化鋁陶瓷表面粗糙度的變化規律，結果如圖8所示。結果表明，與80＃砂輪相比，170＃砂輪旋轉超聲銑磨后得到的表面粗糙度值更低，下降幅度約為9.7%～23.1%。相比80＃砂輪，170＃砂輪在單位面積內參與銑磨的磨粒數量更多，單顆磨粒去除陶瓷材料的厚度更小，銑磨后表面殘留的體積更少，劃痕更細，表面更加平整光滑，且由于超聲振動條件下砂輪磨粒運動方式改變，得到的表面粗糙度就更小。

表3 砂輪粒度條件試驗方案

圖8 砂輪粒度與表面粗糙度的關系

采用表3試驗序號2的試驗參數，對不同粒度砂輪旋轉超聲銑磨后的工件表面形貌進行了觀察對比，結果如圖9所示。由圖9可知，80＃砂輪旋轉超聲銑磨后，表面存在一定量明顯的正弦曲線劃痕，劃痕較深，表面粗糙度較高；而170＃砂輪旋轉超聲銑磨后，表面只存在少許的正弦曲線劃痕，劃痕較淺，平整性相對較好，表面粗糙度較低。