曹有為, 喬國朝, 張旭堯

(1. 東北林業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院, 哈爾濱150040)(2. 河北工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院, 天津300130)

陶瓷材料具有強度高、耐磨損、耐腐蝕等優(yōu)異性能，在航空航天、汽車制造、電力電子、醫(yī)療衛(wèi)生、機械制造等諸多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。但是陶瓷材料硬度高、脆性大，用常規(guī)加工方法很難獲得高效率加工和滿意的加工質(zhì)量。大量的研究證明[1-4]：超聲輔助銑磨加工技術(shù)是最適合用來加工陶瓷材料的技術(shù)之一，具有加工效率高、表面損傷小等優(yōu)點。且陶瓷材料通常被用在工作條件極端苛刻的環(huán)境中，材料的加工損傷極易造成材料失效。因此，陶瓷材料在加工后通常要求達到無損或微損表面。而陶瓷材料在加工過程中會產(chǎn)生高溫，造成熱損傷，加速刀具磨損，進一步惡化表面加工質(zhì)量。因此，為了獲得低損傷或無損傷的陶瓷零件，有必要對超聲輔助銑磨加工的溫度進行深入的研究。

在這方面，許多學(xué)者進行了理論和實驗探索[5-7]。GUO等[8]理論分析了磨削過程中的熱量分配，研究了砂輪、磨削條件對工件溫升的影響規(guī)律。田曉等[9]建立了杯形砂輪平面磨削溫度的弧形移動熱源模型，并進行了有限元仿真，仿真結(jié)果和實驗結(jié)果具有很好的一致性。郭力等[10]進行了工程陶瓷高效深磨溫度場的有限元仿真，分析了磨削溫度梯度對熱裂紋的影響。CHEN等[11]研究了超聲輔助磨削的溫度場分布，并用有限元法進行仿真，和光纖傳感器測量的磨削溫度比較，發(fā)現(xiàn)二者具有很好的一致性。XU[12]實驗研究了金剛石砂輪磨削花崗巖的磨削溫度，并用雙色紅外探測器進行溫度測量。結(jié)果顯示:在干磨條件下，大約70%的能量轉(zhuǎn)化成了熱能，傳遞給砂輪，砂輪的溫度超過1000 ℃，加劇了砂輪磨損。王星等[13]實驗研究了超聲振動圓周磨削的磨削溫度，得到加工參數(shù)對溫度的影響規(guī)律。汪心立等[14]進行了超聲輔助端面磨削表面溫度場的研究，通過實驗和理論分析，揭示了恒壓力徑向振動輔助端面磨削溫度的變化規(guī)律。PAKNEJAD等[15]研究了超聲輔助蠕變磨削的磨削溫度，并使用紅外熱像儀進行溫度測量，獲得了較好的效果。

從上述文獻可以看出：研究超聲輔助磨削溫度的方法，主要有有限元仿真法和實驗法。其中：實驗法更直觀、真實，而被研究人員廣泛采用。超聲輔助銑磨加工在運動形式上和傳統(tǒng)磨削及普通超聲輔助磨削有很大的不同，目前，對其銑磨溫度的變化研究較少。因此，我們用紅外熱像儀為測試手段，實驗研究熱壓氮化硅陶瓷在超聲輔助銑磨加工中的磨削溫度變化，及超聲振動、主軸轉(zhuǎn)速、進給速度和磨削深度對加工區(qū)溫度變化的影響，為陶瓷材料的超聲輔助銑磨加工提供參考。

1 實驗條件及方案

1.1 實驗條件

實驗在DMG Ultrasonic 70-5 linear型超聲振動銑磨加工中心進行，實驗裝置示意圖如圖1所示。圖1中：工件固定在夾具上，銑磨頭一邊以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)，一邊以頻率ν沿軸向超聲振動，同時以速度vw沿工件長邊進給；紅外熱像儀從側(cè)面對準(zhǔn)工件和工具的接觸面，熱像儀鏡頭與測溫區(qū)間隔約為10 cm，并以vw速度同向移動。

工件材料為廣州石潮特種陶瓷制造有限公司生產(chǎn)的熱壓氮化硅(Si3N4)陶瓷，其主要性能參數(shù)如下：硬度Hv為15～17 GPa，彈性模量E為314 GPa，泊松比υ為0.27，斷裂韌度KIC為6 GPa·m1/2。待加工試樣尺寸為20 mm×10 mm×5 mm，加工表面尺寸為20 mm×10 mm，進給方向沿試樣長邊方向。為了保證不同組別的實驗結(jié)果具有可比性，不同組別的實驗始終在同一振動頻率和振幅下進行，并采用同一型號的鎳基燒結(jié)金剛石砂輪；加工方式為順銑干磨削。實驗條件和紅外熱像儀主要參數(shù)分別如表1和表2所示。

圖1 超聲輔助銑磨加工溫度測量裝置示意圖

表1 實驗條件

表2 FLIR SC325紅外熱像儀主要參數(shù)

1.2 實驗方案

為了揭示加工參數(shù)對銑磨溫度的影響規(guī)律，實驗采用單因素法分別研究主軸轉(zhuǎn)速、進給速度、磨削深度對磨削溫度的影響。為了研究超聲振動作用對銑磨溫度的影響，實驗時關(guān)閉超聲發(fā)聲器實現(xiàn)普通銑磨加工，并對普通銑磨和超聲輔助銑磨的溫度進行了對比。單因素實驗的實驗方案如表3所示。

表3 實驗方案

2 結(jié)果與討論

在表3中的2條件下，由紅外熱像儀測得的典型的銑磨區(qū)溫度分布如圖2所示。

(a)線性模式

(b)增強對比模式

從圖2a可知：磨削區(qū)溫度呈圓形分布，中心區(qū)溫度最高，沿四周溫度逐漸降低，形成明顯的溫度梯度。為了更清楚地觀察銑磨溫度在已加工表面的分布情況，增強圖2a的對比度，獲得溫度分布增強對比模式圖(圖2b)。從圖2b可知：沿進給方向，在銑磨頭后有明顯的殘留溫度分布軌跡線，說明加工溫度對工件已加工表面有著持續(xù)的熱影響。

在表3中的1、2、3、4條件下，主軸轉(zhuǎn)速對銑磨溫度的影響規(guī)律如圖3所示。從圖3可以看出：隨著主軸轉(zhuǎn)速的升高，加工過程中的銑磨最高溫度逐漸降低，從153.4 ℃降到138.0 ℃(圖3b)；且最高溫度出現(xiàn)的時間也逐漸延遲(圖3a)。說明隨著主軸轉(zhuǎn)速的升高，加工過程中的產(chǎn)熱量和產(chǎn)熱效率都在逐漸降低。原因是主軸轉(zhuǎn)速越高，單顆磨粒每轉(zhuǎn)去除的材料越少，切屑變形和摩擦產(chǎn)生的熱量減少；同時磨粒和工件接觸、脫離的頻率越快，溫升效應(yīng)相對較差。

(a)不同主軸轉(zhuǎn)速下銑磨溫度和銑磨時間關(guān)系圖

(b)主軸轉(zhuǎn)速對銑磨最高溫度的影響圖

在表3中的5、6、7、8條件下，進給速度對銑磨溫度的影響規(guī)律如圖4所示。從圖 4可知：在相同的切削長度下(本次實驗的切削長度為20 mm)，進給速度越快其切削時間越短，溫度累積時間就越短(圖4a)，這是符合一般切削規(guī)律的；且隨著進給速度增大，銑磨最高溫度從210.6 ℃逐漸降低到194.4 ℃(圖4b)。原因是雖然進給速度增大導(dǎo)致單位時間內(nèi)產(chǎn)熱增加，但切削長度有限，溫度累積有限，難以達到較高的溫度。若加工長度足夠，則隨著進給速度的增加，銑磨最高溫度會隨之升高。

在表3中的9、10、11、12條件下，切削深度對銑磨溫度的影響規(guī)律如圖5所示。

(a)不同進給速度下銑磨溫度和銑磨時間關(guān)系圖

(b) 進給速度對銑磨最高溫度的影響圖

(a)不同切削深度下銑磨溫度和銑磨時間關(guān)系圖

(b) 切削深度對銑磨最高溫度的影響圖

從圖 5可以看出：切削深度對溫度的影響呈現(xiàn)明顯的階段性(圖5a)。在第一階段，最高溫度隨切削深度的增加從172.9 ℃逐漸升高到194.5 ℃(圖5b)。這是因為當(dāng)切削深度增大時，銑磨砂輪和工件的接觸面積增大，材料去除產(chǎn)生的切削力和摩擦產(chǎn)生的熱量增加，導(dǎo)致最高溫度升高；在第二階段，最高溫度隨切削深度的增加從265.9 ℃下降到240.1 ℃(圖5b)。這可能是因為切削深度越大，造成的磨粒破損和脫落現(xiàn)象越嚴(yán)重，導(dǎo)致實際的切削深度相對于設(shè)定值減小的越多，切削力和摩擦力都減小，因此最高溫度逐漸降低。

在表3中的1、13條件下，超聲銑磨和普通銑磨對銑磨溫度的影響規(guī)律如圖6所示。從圖6b可知：超聲銑磨的最高溫度為153.4 ℃，稍高于普通銑磨的138.1 ℃。但圖6a顯示：超聲銑磨的高溫持續(xù)時間約38 s，明顯高于普通銑磨的持續(xù)時間(約12 s)；且當(dāng)普通銑磨溫度達到最高點后即出現(xiàn)斷崖式下降，說明此時銑磨砂輪出現(xiàn)明顯的磨損或破損，部分失去或喪失了加工能力，這是造成普通銑磨溫度稍低的主要原因。

(a)有無超聲時銑磨溫度與時間關(guān)系圖

(b)不同加工方式對銑磨最高溫度的影響圖

圖7給出了普通銑磨砂輪破損的SEM圖像。從圖7可以看出：砂輪破損的部分非常明顯。

圖7 普通銑磨砂輪破損的SEM圖像

在表3中的9、14條件下，超聲銑磨和普通銑磨氮化硅陶瓷表面的SEM形貌圖如圖8所示。由圖8a可以看出：超聲銑磨加工的氮化硅表面無明顯的裂紋和崩碎現(xiàn)象，材料以塑性去除為主；而圖8b的普通銑磨表面呈現(xiàn)大面積崩碎特征，材料以脆性去除為主。由材料變形理論可知:在去除相同體積的材料時，塑性變形消耗的能量遠高于崩性斷裂消耗的能量，而這些能量最終都轉(zhuǎn)化成為熱能，這是造成超聲銑磨溫度稍高的另外一個原因。

(a) 超聲銑磨

(b) 普通銑磨

因此，在相同的切削參數(shù)干銑磨的條件下，超聲銑磨的溫度稍高于普通銑磨的溫度，究其原因是砂輪磨損的影響和材料去除機理的不同造成的，超聲振動有利于降低砂輪磨損并提高工件加工表面質(zhì)量。

3 結(jié)論

實驗研究了氮化硅陶瓷超聲輔助銑磨加工的銑磨溫度。通過單因素實驗，分別研究了干磨條件下，超聲銑磨和非超聲銑磨的主軸轉(zhuǎn)速、進給速度、切削深度對銑磨溫度的影響規(guī)律。得出如下結(jié)論：

(1)隨主軸轉(zhuǎn)速增加，銑磨最高溫度逐漸降低。

(2)在相同的切削長度下，進給速度越快，加工時間越短，溫度累積效果就越差，最高溫度稍有降低；隨著累積時間增加，大進給速度將導(dǎo)致較高的銑磨溫度。

(3)切削深度對銑磨溫度的影響呈現(xiàn)階段性。在第一階段，隨著切深的增加最高溫度升高；在第二階段，隨著切削深度的增加最高溫度降低。

(4)在無冷卻液干磨的條件下，超聲銑磨的最高溫度稍高于普通銑磨的最高溫度。造成這種現(xiàn)象的原因在于材料去除機理不同和砂輪磨損程度不同。

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