ZrO2 高硬材料超聲振動激光磨削孔加工參數優化

易禮文

（泉州市高級技工學校機械教研組，福建 泉州 362000）

0 引言

ZrO2高硬材料一般均采用各種火法冶金與濕化學法相結合工藝制備，其極高的硬度給機加工帶來極大的難度。如何進行高精度的ZrO2高硬材料小孔加工是機械加工領域的一項重要研究課題，對于構建高精密連接結構以及實現自動控制設備的準確調控都具有關鍵作用，目前主要通過激光或電火花方法實現小孔加工的過程[1-2]。還有一些學者研究了旋轉超聲激光磨削方法在小孔加工方面的技術應用，從而獲得更小切削力，形成更光滑表面的孔結構，且可顯著提升加工效率，增強刀具耐磨損性能[3-4]。

當前已有較多國內外學者開展了工程陶瓷孔的研究工作。其中，張德遠[5]在超聲激光磨削加工過程中構建了切削刃軌跡仿真模型，并利用實驗驗證了超聲輔助激光磨削時減小切削力與改善孔精度的作用機制。劉瑞軍[6]以飛秒短脈沖激光進行孔加工，將孔徑尺寸很好地控制于0.5～1.5 mm，并實現了10∶1 的深徑比值，顯著改善了出孔性能，且使內腔粗糙度達到0.28 μm 以內。

本文通過綜合分析孔出口端面崩邊區域范圍和理想孔截面的面積之比來評判孔出口的質量水平，將其表示成損傷因子Hd值，深入分析了不同激光磨削工藝下的Hd值變化特征。

1 實驗內容

1.1 加工原理超聲輔助激光磨削示意圖如圖1 所示。

圖1 超聲輔助激光磨削

從圖1 中可以看到采用激光磨削方式與超聲方式相結合進行振動加工的旋轉超聲激光磨削孔制備的作用原理。其中，金剛石磨頭與主軸一起發生旋轉運動，同時工件底部表面受到磨粒的旋轉激光磨削作用而被去除。

1.2 實驗設備

本實驗采用圖2 中的JDVT600T 加工系統。采用LaserNext LN1530-3D 型光纖激光磨削機作為本實驗中的超聲振動激光磨削設備，通過油冷方式進行降溫，本次使用的切削裝置為Taga 提供的超聲振動激光切削儀器，激光器型號為IPG YLS-3000，最大輸出功率為3 000 W，輸出的激光束波長為1 070 nm。表1給出了材料的各項屬性參數。

表1 ZrO2 主要性質

圖2 激光磨削實驗

1.3 實驗方案

引起旋轉超聲激光磨削加工孔出口質量變化的各項因素中，超聲波振幅、進給速度屬于最關鍵的因素。本文設計了正交方案，經預測得到最佳參數，表2給出了各項因素與水平設置情況。

2 結果與討論

2.1 圖像處理

以Matlab 軟件提取得到孔輪廓邊緣參數。S1表示標準圓面積，Si表示經過加工得到的理想圓面積，則有：

2.2 單因素實驗結果分析

2.2.1 進給速度對Hd值的影響

進給速度對Hd值的影響結果如圖3 所示。不同進給速度下，旋轉超聲激光磨削方法的Hd值相較常規激光磨削方法所得Hd更低。將進給速度設置為0.55 mm/min 時，Hd值最大程度減小到54%。提高進給速度后，旋轉超聲Hd值先降低再升高。這是因為提高進給速度后，可減少同一加工范圍的切削次數，形成更長的磨粒軌跡，減少相互干涉影響，形成了更大的激光磨削深度。

圖3 進給速度對Hd 值的影響

2.2.2 超聲波振幅對Hd值的影響

振幅對Hd值的影響結果如圖4 所示。旋轉超聲激光磨削Hd值隨振幅的升高呈現出先減小后增大的變化趨勢。根據磨粒運動軌跡可知，加入超聲振動后，磨粒對工件表面產生了高頻沖擊，切削形式轉變成斷續狀態，引起脆性材料去除機制。

圖4 振幅對Hd 值的影響

2.3 質量控制策略

采用超聲振動輔助方法對氧化鋯進行孔加工時，會在磨粒和工件間形成劃擦并造成一定的沖擊，從而引起表面出現明顯裂紋缺陷。并且上述裂紋的長度都顯著超過材料自身微裂紋，從而更易受到應力載荷影響而發生結構失穩的問題。進一步增大加工孔深度時，為軸向切削力提供支持作用的剩余材料也逐漸減薄。隨著材料厚度低于臨界值后，孔底邊緣將會受到軸向切削力作用而出現應力集中的現象。當材料拉應力超過強度上限時便會形成微裂紋，同時發生進一步擴展。

當裂紋擴展到孔底部的時候，便會在孔口邊緣產生損傷缺陷。為了有效抑制這一損傷，通過夾具固定工件，利用墊塊對孔底形成的反作用，可顯著提升工件斷裂韌性，實現橫向和縱向裂紋尺寸的進一步減小，充分消除孔底崩邊。

3 結論

1）以Matlab 軟件提取并計算旋轉超聲加工方式獲得的Hd值。提高主軸轉速后，Hd值先降低后升高；提高進給速度后，Hd值先降低后再升高；隨著振幅升高，Hd值先降低后升高。

2）Hd值的降低反映出孔出口端面質量變得更優，因此需盡可能地設置更低的Hd值。