張 能，魏 昕，汪永超，謝小柱

(1.廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 ，廣州 510006；2.河源廣工大協(xié)同創(chuàng)新研究院，廣東 河源 517000)

0 引言

工程陶瓷因其具有耐高溫高壓、高強(qiáng)度硬度等特點(diǎn)而被廣泛的應(yīng)用于精密制造、機(jī)械化工、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域[1]，超聲振動(dòng)加工在對(duì)陶瓷等硬脆材料的成型加工制造上存在一定的工藝優(yōu)勢(shì)，但仍不可避免地會(huì)產(chǎn)生實(shí)時(shí)變化的磨削力，磨削力對(duì)材料裂紋的成核擴(kuò)展[2]，表面質(zhì)量形成好壞[3-4]、刀具耐用度等直接相關(guān)，影響陶瓷加工零部件的尺寸精度與形狀精度[5]，嚴(yán)重制約陶瓷材料的應(yīng)用[6]，所以有必要對(duì)縱扭復(fù)合振動(dòng)超聲加工過程中磨削力的大小變化規(guī)律進(jìn)行研究，分析整個(gè)動(dòng)態(tài)磨削加工過程，預(yù)測(cè)加工表面質(zhì)量以及時(shí)調(diào)整加工參數(shù)，預(yù)防刀具磨損破壞來進(jìn)行換刀操作，保證加工過程的合理性，減少加工成本，以得到較好加工工藝效果，發(fā)揮超聲振動(dòng)加工的工藝優(yōu)勢(shì)。

本文以工程氧化鋯陶瓷為試驗(yàn)對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行縱扭復(fù)合振動(dòng)超聲磨削加工，搭建測(cè)力試驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)，對(duì)不同工藝參數(shù)下的磨削力變化規(guī)律進(jìn)行觀測(cè)討論，這對(duì)深入分析超聲加工過程機(jī)理及推動(dòng)工程陶瓷的實(shí)際應(yīng)用是很有必要的。

1 磨削力建模分析

縱扭復(fù)合振動(dòng)超聲磨削加工是通過外加超聲電源發(fā)生器產(chǎn)生高頻可控的規(guī)律性簡(jiǎn)諧振動(dòng)，經(jīng)振動(dòng)系統(tǒng)傳遞后作用在加工刀具上，改變傳統(tǒng)連續(xù)接觸磨削過程，使得刀具除了在做二維復(fù)合振動(dòng)外，還存在繞主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。將在實(shí)際加工過程中所產(chǎn)生的磨削力分解為相互垂直的三個(gè)分力：沿主軸振動(dòng)方向的軸向分力、沿進(jìn)給振動(dòng)方向的法向分力及切向分力，如圖1所示[7]。

n—刀具繞主軸轉(zhuǎn)速(r/min) θp—磨削深度(mm) Vf—刀具徑向進(jìn)給速度(mm/min) Aa 、Ar：刀具沿軸向、徑向的振動(dòng)振幅大小(μm)圖1 縱扭復(fù)合振動(dòng)超聲加工磨削力模型

軸向分力對(duì)材料表面的沖擊疲勞破壞及亞表面損傷較明顯，決定了刀具與材料加工接觸區(qū)域的彈塑性應(yīng)力場(chǎng)分布情況，法向分力Fn促使陶瓷材料在磨削過程中形成眾多細(xì)小生長(zhǎng)的橫向裂紋，促進(jìn)材料在塑性域加工，提高加工效率，有益于提高加工表面質(zhì)量[8]，切向分力Ft一般對(duì)材料破碎去除的影響較小，因此對(duì)加工過程中產(chǎn)生的三向磨削力的建模與測(cè)量分析后期主要是考慮沿磨削工具進(jìn)給方向的磨削法向分力Fa和沿磨削工具軸向振動(dòng)方向的軸向分力Fn，試驗(yàn)中取磨削力信號(hào)的峰(谷)值絕對(duì)值作為每組加工參數(shù)下的最大磨削力，研究不同工藝參數(shù)組合下的磨削力變化規(guī)律，對(duì)優(yōu)化加工參數(shù)取值、減弱加工損傷、提高表面質(zhì)量具有重要的作用[9]。

2 磨削力試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)床功能參數(shù)和超聲電源性能選取磨削力單因素測(cè)量試驗(yàn)中重要工藝參數(shù)取值見表1。

表1 磨削力測(cè)量試驗(yàn)參數(shù)取值

對(duì)每組磨削參數(shù)下的磨削力進(jìn)行三次測(cè)試，取其平均值作為該組磨削參數(shù)下的平均磨削力大小[10]。

2.2 測(cè)力系統(tǒng)組成

對(duì)加工過程中動(dòng)態(tài)磨削力進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量，并且磨削深度和進(jìn)給量較小，因此需要?jiǎng)討B(tài)壓電式測(cè)力儀的動(dòng)態(tài)采集性能及測(cè)量精度要好，測(cè)力儀在獲得現(xiàn)場(chǎng)切削實(shí)際磨削力大小的模擬信號(hào)后，經(jīng)動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)電荷放大器將信號(hào)放大傳入數(shù)據(jù)采集卡轉(zhuǎn)換成三個(gè)通道采集的三向磨削力數(shù)字信號(hào)，傳入電腦由DEWESoft 軟件對(duì)采集的數(shù)據(jù)信號(hào)自動(dòng)記錄及保存，進(jìn)行實(shí)時(shí)分析與處理，最終在電腦界面顯示三向磨削力的實(shí)時(shí)變化趨勢(shì)圖，測(cè)力系統(tǒng)如圖2所示[11]。

圖2 測(cè)力系統(tǒng)

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

縱扭復(fù)合振動(dòng)超聲加工磨削力的測(cè)量試驗(yàn)是在高速數(shù)控機(jī)床與縱扭復(fù)合振動(dòng)系統(tǒng)相結(jié)合的組合機(jī)床上進(jìn)行，采用立式磨削，用循環(huán)水作為冷卻液，切削液的沖擊作用使得磨削力測(cè)量中不可避免地會(huì)出現(xiàn)誤差，所以在每一組試驗(yàn)進(jìn)行之前都先把加工工具移動(dòng)到一定高度并停留 5s，讓測(cè)力儀采集磨削液的沖擊力，然后再對(duì)測(cè)力儀進(jìn)行復(fù)位操作，從而最大程度地避免切削液對(duì)力的變化所產(chǎn)生的影響，保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確，這對(duì)準(zhǔn)確分析加工過程中磨削力的變化規(guī)律具有重要作用。

3.1 超聲振動(dòng)能量對(duì)磨削力的影響規(guī)律

首先根據(jù)超聲電源發(fā)生器的工作參數(shù)范圍，以其輸出振動(dòng)電壓值為變量，研究超聲振動(dòng)能量大小對(duì)加工過程中磨削力的影響規(guī)律，結(jié)果如圖3所示。

圖3 磨削力隨超聲振動(dòng)能量的變化趨勢(shì)

可看出在磨削過程中軸向及法向磨削力逐漸在減小，這是由于最初超聲振動(dòng)能量較小，磨粒切削刃在軸向很難切入材料，所受材料阻力較大；之后超聲振動(dòng)能量增大，刀具磨粒具有振動(dòng)能量聚集沖擊作用，在陶瓷材料內(nèi)部產(chǎn)生振動(dòng)應(yīng)力，降低材料強(qiáng)度，磨粒更易切入材料，促進(jìn)徑向裂紋和橫向裂紋的生長(zhǎng)，材料破碎去除更加容易，軸向力便逐漸減小，而表面破碎所需的法向磨削力也在一直較小。

隨著超聲振動(dòng)能量繼續(xù)增大，磨粒過大集中能量的沖擊加工使得材料表面出現(xiàn)破碎及坑洞等現(xiàn)象，軸向接觸切深相對(duì)位移更大，受到的軸向阻力及摩擦力較大，所以看到軸向磨削力大幅度增加，而進(jìn)行徑向與橫向裂紋破碎所需的法向作用力繼續(xù)減小。

3.2 磨削深度對(duì)磨削力的影響規(guī)律

磨削深度與材料去除形式及加工效率有關(guān)，改變磨削深度取值，得到磨削力變化規(guī)律如圖4所示。

圖4 磨削力隨磨削深度的變化趨勢(shì)

由測(cè)力結(jié)果可知，軸向與法向磨削力在磨削深度小于10μm 時(shí)，隨著磨削深度增大，參加磨削的有效磨粒數(shù)增多，切削材料體積增多，接觸材料弧長(zhǎng)增大使得阻力增大，同時(shí)切屑對(duì)磨粒的摩擦阻力增大，此時(shí)材料仍以塑性去除為主，切屑脫離材料本體所需作用力較大，產(chǎn)生較多磨削熱量，切屑也與刀具磨粒接觸摩擦?xí)r間較長(zhǎng)，使得磨削力在逐漸增大[12]，但此時(shí)材料微細(xì)破碎，加工表面質(zhì)量較好。

在磨削深度達(dá)到10μm后，材料去除達(dá)到臨界磨削深度，脆性斷裂現(xiàn)象出現(xiàn)，材料去除主要為脆性去除，振動(dòng)沖擊切削容易導(dǎo)致材料破碎，表面出現(xiàn)大塊脫落，使得軸向磨削去除材料阻力減少，法向磨削力促進(jìn)徑向裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展的現(xiàn)象減少，磨削力也會(huì)減小，但此時(shí)材料加工表面質(zhì)量差，在加工過程中應(yīng)使得材料去除在脆塑性組合模式下，既能提高加工效率，又能得到較好的加工表面質(zhì)量。

3.3 進(jìn)給速度對(duì)磨削力的影響規(guī)律

根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)床的性能參數(shù)改變加工過程中進(jìn)給速度大小，得到磨削力變化規(guī)律如圖5所示。

圖5 磨削力隨進(jìn)給速度的變化趨勢(shì)

從圖中可以看出，軸向與法向磨削力均是隨著進(jìn)給速度的增大而增大。當(dāng)進(jìn)給速度增大，材料與刀具磨粒在一定時(shí)間內(nèi)重復(fù)有效接觸磨削次數(shù)減少，振動(dòng)分離效應(yīng)出現(xiàn)減弱，加工有效磨粒數(shù)減少，但單顆磨粒實(shí)際切削層厚度變大，相對(duì)材料切削體積變大，磨削熱散失與切屑流出等現(xiàn)象減弱，但切屑與磨粒之間的接觸摩擦阻力增大，材料破碎去除較難，難以促進(jìn)橫向和徑向裂紋的生長(zhǎng)擴(kuò)展，加工效率較低，使得軸向與法向磨削力在逐漸增加，加快刀具的磨損鈍化，增大加工誤差，影響加工質(zhì)量。

3.4 主軸轉(zhuǎn)速對(duì)磨削力的影響規(guī)律

結(jié)合試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)高速數(shù)控機(jī)床功能參數(shù)合理改變主軸轉(zhuǎn)速值，得到磨削力變化的趨勢(shì)如圖6所示。

圖6 磨削力隨進(jìn)給速度的變化趨勢(shì)

在加工過程中法向磨削力和軸向磨削力均隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大而逐漸減小，最初主軸轉(zhuǎn)速較小，磨粒切入切出材料時(shí)的有效磨粒數(shù)和有效振動(dòng)次數(shù)較小，單顆磨粒接觸材料相對(duì)時(shí)間變長(zhǎng)，與切屑間摩擦阻力及磨粒切入材料所受抵抗力較大，此時(shí)材料去除困難，加工效率低；之后主軸轉(zhuǎn)速增大，參與切削有效磨粒數(shù)增加，相對(duì)單顆磨粒所受到的磨削力減少；磨?？焖偾腥肭谐霾牧希c材料之間的接觸弧長(zhǎng)變短，接觸摩擦作用時(shí)間減少，磨削熱及摩擦阻力均減小，磨粒切削刃的鋒利性得到保持，促進(jìn)裂紋群的生長(zhǎng)擴(kuò)展，材料破碎去除容易，此時(shí)軸向磨削力與法向磨削力均在緩慢減小。

4 總結(jié)

本文通過對(duì)縱扭復(fù)合振動(dòng)超聲磨削加工工程氧化鋯陶瓷過程中磨削力的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律進(jìn)行分析，以指導(dǎo)縱扭復(fù)合振動(dòng)超聲加工中參數(shù)的合理選取，發(fā)現(xiàn)較大超聲振動(dòng)能量可以發(fā)揮振動(dòng)效應(yīng)優(yōu)勢(shì)，增強(qiáng)磨削能力減小動(dòng)態(tài)磨削力，進(jìn)給速度取值較大則會(huì)增大磨削力，對(duì)加工過程產(chǎn)生不利影響，主軸轉(zhuǎn)速較大，既能保持刀具的鋒利性提高加工效率，又對(duì)磨削力影響不大，而磨削深度大小對(duì)材料的去除模式具有直接的影響，既能保證材料塑性微細(xì)均勻破損去除，又能提高加工效率，是重要的加工參數(shù)，能實(shí)現(xiàn)加工質(zhì)量與效率的統(tǒng)一。

后期研究學(xué)習(xí)中應(yīng)進(jìn)一步完善超聲振動(dòng)加工方法理論，明確加工過程材料去除機(jī)理，以推動(dòng)超聲加工工藝手段在陶瓷等硬脆材料上的精密及超精密加工應(yīng)用。