工程陶瓷縱扭復合超聲振動螺旋磨削制孔表面質量研究*

林佳杰，魏 昕*，楊宇輝，汪永超,3

(1.廣東工業大學 機電工程學院，廣東 廣州 510006;2.東莞理工學院 機械工程學院，廣東 東莞 523808；3.東源廣工大現代產業協同創新研究院，廣東 河源 517583)

0 引 言

工程陶瓷等硬脆材料具有優良的機械、化學性能，在諸多領域備受關注。工程上，各構件常采用孔連接方式進行連接。同時，隨著航天航空等技術的發展，硬脆材料盲孔類零件如軸承套、內燃機發動機中的活塞缸筒等應用越來越廣泛，該類零部件對裝配有著較高的精度要求，孔的質量會極大地影響裝備使用的安全性、可靠性及壽命，故對孔壁與孔底都有著較高的加工表面質量要求。

而硬脆材料的高硬度、低斷裂韌性等特點加大了加工難度，采用傳統加工方式進行制孔加工，容易出現刀具磨損、切削力大、制孔表面質量差等問題。因此，尋求高質量、高效率的制孔方式、匹配合適的工藝參數對工程陶瓷等硬脆材料大規模推廣應用具有重要的現實意義。

傳統制孔為半封閉式加工，切屑對表面造成二次損傷是造成表面質量較差的重要原因之一。近年來，多位學者深入研究了螺旋銑孔加工疊層復合材料等加工機理及工藝規律[1]：相比傳統制孔方式，螺旋銑孔加工更有利于切屑及時排出，避免切屑對孔表面造成破壞；便于切削液進入加工區域，改善加工環境，有效地提高表面質量。ZHOU等人[2]對采用螺旋銑孔方式加工的孔壁表面形貌進行了建模仿真，優化了加工工藝，提高了孔壁質量；TIAN等人[3]對螺旋銑削加工刀具與工件相互作用過程進行了分析，并對不同切削刃位置的加工區域的表面形貌進行了研究。旋轉超聲加工被公認為高效精密加工硬脆材料的有效方法[4]。根據施加超聲振動方向不同可分為一維縱向超聲振動和二維縱扭超聲振動，已有研究表明縱扭復合超聲振動比一維縱向超聲振動在降低切削力、提高加工質量等方面效果更顯著[5]。劉立飛等人[6]對比了超聲振動輔助磨削、普通磨削對表面損傷的影響情況，表明施加超聲振動使表面損傷較少，表面損傷層較淺，有利于得到理想的表面質量。

為解決工程陶瓷傳統制孔表面質量差等問題，本文以磨代鉆，將超聲振動與螺旋制孔方式結合，以表面粗糙度作為表面質量的評價指標，開展縱扭超聲振動、一維縱向超聲振動和普通螺旋磨削制孔對比實驗；在此基礎上，進一步開展實驗探究不同工藝參數對縱扭復合超聲螺旋磨削制孔表面質量的影響規律，為工程實際應用提供一定的參考。

1 工藝原理及表面創成機理分析

縱扭復合超聲振動螺旋磨削制孔示意圖如圖1所示。

圖1 縱扭復合超聲振動螺旋磨削制孔示意圖

圖1中，刀具中心軸與加工孔的中心軸偏離一定距離，在工件沿X軸、Y軸的進給運動和刀具沿Z軸進給運動的共同作用下，刀具以一定的進給速度沿著螺旋線運動；同時，對刀具施加縱扭復合超聲振動及主軸轉動，從而使磨粒與工件發生相互作用，實現材料的去除[7]。

所加工孔的直徑D為：

D=D0+2e

(1)

式中：D0—刀具外徑；e—偏心距。

根據運動疊加原理，刀具端面外邊緣的磨粒及側面磨粒的線速度vm可表示為：

vm=n·D+vf+2Ator·f

(2)

式中：n—主軸轉速；vf—螺旋進給速度；Ator—扭轉超聲振幅；f—超聲振動頻率。

而制孔的效率η可表示為：

(3)

式中：P—螺距。

磨粒切削線速度、切削效率將會影響到材料的去除及加工質量，因此有必要提前了解各工藝參數與線切削速度、加工效率的關系，以便更合理分析發現實驗規律。

在制孔過程中，將形成孔壁和孔底兩個表面，兩者的形成均與材料去除機理密切相關。由于硬脆材料具有高硬度、低斷裂韌性等特點，不宜采用過大的螺距進行加工，材料的去除主要是由刀具端面磨粒實現的。

孔底表面的形成主要是由刀具端面磨粒對材料去除引起的。在超聲振動作用下，磨粒先以塑性去除方式對材料進行切削，當磨粒切削深度達到臨界切削深度時，以脆性斷裂方式實現材料去除。

硬脆材料的去除模式有塑性去除和脆性去除兩種，并以脆性去除模式為主。在脆性去除模式下，磨粒劃擦材料引起側向裂紋成核擴展，裂紋擴展至表面時材料將被去除而留下斷裂凹坑[8]，斷裂凹坑使表面質量變差，表面粗糙度值增大。脆塑共存是超聲磨削加工創成孔底表面的主要方式，改變工藝參數會使材料去除方式所占的比例發生變化，從而影響表面質量。

孔壁表面的形成既與刀具端面外端磨粒有關，也與刀具側面的磨粒有關。當刀具端面外端磨粒以脆性去除模式切削孔底材料時，所引起側向裂紋擴展長度若大于磨粒與孔壁的距離時，將會造成孔壁亞表面損傷或形成微破碎，隨后刀具側面磨粒在超聲振動、螺旋進給等運動的作用下，對孔壁表面進行多次微切削[9]，逐漸磨耗、修整孔壁表面材料，最終形成孔壁表面。

2 實驗條件及方案

本次實驗所使用的超聲機床及檢測儀器如圖2所示。

圖2 超聲機床及檢測儀器

從圖2中可以看到，縱扭超聲刀柄變幅桿上存在斜槽，其作用為將部分縱向超聲振動轉化為扭轉超聲振動，實現縱扭共振[10]。

超聲振幅通過設置超聲能量百分比進行調節，超聲頻率約為21.7 kHz，超聲能量百分比30%、40%、50%、60%、70%對應的縱向超聲振幅約為2.5 μm、3.1 μm、3.8 μm、4.8 μm和6 μm，縱扭比約為3 ∶1。

更換一維縱向超聲刀柄可實現縱向超聲振動磨削加工，關閉超聲振動即可實現普通磨削加工。

所用工件材料氧化鋯陶瓷的維氏硬度為11.5 GPa，彈性模量為210 GPa,泊松比為0.22～0.23，斷裂韌性為8.0 MPa·m1/2，工件尺寸為30 mm×30 mm×5 mm。采用外徑4 mm，內徑2 mm，磨粒粒度為180目的中空電鍍金剛石刀具進行螺旋磨削制孔。

當加工至指定深度，刀具沿Z軸的進給運動停止，刀具在工件沿X軸、Y軸的進給運動共同作用下對孔底繼續進行切削，可將盲孔孔底加工為平面。采用外加切削液方式進行冷卻。

為探究施加縱扭超聲振動后超聲振幅、螺距、主軸轉速、螺旋進給速度等工藝參數對孔底和孔壁表面粗糙度的影響規律，本文進行了單因素實驗。

單因素實驗變量如表1所示。

表1 單因素實驗變量

為了能夠在不同儀器下對孔底和孔壁表面粗糙度進行觀測，每組相同工藝參數的實驗分別加工出深度為5 mm和0.2 mm的孔。

實驗后，筆者對樣件進行超聲清洗10 min，然后采用白光干涉儀和馬爾表面輪廓儀分別對孔底和孔壁的表面粗糙度進行測量，每個樣件測3個點并取平均值。

3 結果與討論

前期試驗中，對比了不同主軸轉速下縱扭超聲、一維縱向超聲和普通螺旋磨削制孔加工對孔壁和孔底表面粗糙度的影響情況。

孔底表面質量對比實驗的工藝參數為：

超聲振幅3.8 μm，螺距4 μm，螺旋進給速度625 mm/min，偏心距1 mm，刀具外徑為6 mm，磨粒粒度為250目。

孔壁表面質量對比實驗的工藝條件為：

超聲振幅3.8 μm，螺距3.5 μm，螺旋進給速度750 mm/min，偏心距1 mm，刀具外徑為4 mm，磨粒粒度為180目。

不同轉速下加工方式對孔表面質量的影響如圖3所示。

圖3所示的試驗結果表明：

圖3 不同轉速下加工方式對孔表面質量的影響

(1)相比普通加工和一維縱向超聲加工，縱扭復合超聲振動加工孔壁表面粗糙度降低幅度為8.0%～49.6%；

(2)孔底表面粗糙度降低幅度為17.9%～29.8%。

由此可見，縱扭復合超聲加工有利于降低孔底和孔壁的表面粗糙度，提高制孔表面質量，將可能成為一種更有效的制孔方式。

因此，進一步探究縱扭超聲振動加工工藝參數對孔壁和孔底表面質量的影響規律十分必要。

3.1 超聲振幅對孔底和孔壁表面粗糙度的影響

超聲振幅對孔壁和孔底表面粗糙度的影響如圖4所示。

圖4所示的結果表明：

圖4 超聲振幅對孔底和孔壁表面粗糙度的影響

(1)超聲振幅對孔底和孔壁表面粗糙度的影響趨勢相似；

(2)隨著超聲振幅增大，孔壁和孔底表面粗糙度均逐漸減小。

造成孔底表面粗糙度變化的原因主要是因為增大超聲振幅，材料脆塑轉變臨界深度增大[11]，從而提高材料塑性去除的比例；同時，一個周期內磨粒與工件材料的分離時間占比增大，更有利于切屑排出及切削液進入加工區

域改善加工環境。因此，孔底的表面質量得到提高。

而造成孔壁表面粗糙度變化的原因主要是提高超聲振幅。一方面孔底塑性去除比例提高，降低了刀具端面邊緣磨粒切削誘導微裂紋擴展至孔壁表面的可能性；另一方面，增大了側面磨粒與工件材料接觸的軌跡長度及切削區域，增大了側面磨粒切削工件材料的瞬時速度[12]，在材料去除率相同的情況下，側面磨粒的切削深度將減小，有利于提高孔壁的表面質量。

同時，通過圖4還可發現，相同工藝條件下，孔底表面粗糙度大于孔壁表面粗糙度；選取較大超聲振幅有利于縮小兩者的差距。

3.2 螺距對孔底和孔壁表面粗糙度的影響

螺距對孔底和孔壁表面粗糙度的影響如圖5所示。

圖5 螺距對孔底和孔壁表面粗糙度的影響

圖5所示的結果表明：

(1)螺距對孔底和孔壁表面粗糙度的影響趨勢相似；

(2)隨著螺距增大，孔底和孔壁表面粗糙度值均呈現增大趨勢。

根據式(3)可知，螺距增大，材料的去除效率提高，刀具端面單顆磨粒的最大未變形切削厚度增加，當切削深度超過臨界深度時，脆性斷裂所占比例增大，表面破碎和斷裂凹坑增多，而若螺距進一步增大，加工方式趨向于普通磨削加工，從而使孔底表面粗糙度增大。同時，單顆磨粒的最大未變形切削厚度增大將使磨粒的切削力增大，而側向裂紋擴展的長度與切削力成正比[13]，因此促進了側向裂紋擴展，增大了發生刀具端面外側磨粒劃擦工件誘導微裂紋損傷孔壁表面的可能性。被損傷的孔壁表面隨后在側面磨粒的多次切削、撕扯下，材料更容易以斷裂的形式去除，從而使孔壁的表面質量變差。

另外，從圖5中還可知，孔底表面粗糙度大于孔壁表面粗糙度；螺距為2.5 μm～3.8 μm之間時，螺距的變化對孔壁表面粗糙度的影響較小。

3.3 主軸轉速對孔底和孔壁表面粗糙度的影響

主軸轉速對孔底和孔壁表面粗糙度的影響如圖6所示。

圖6 主軸轉速對孔底和孔壁表面粗糙度的影響

圖6所示的結果表明：

主軸轉速對孔底和孔壁表面粗糙度的影響趨勢相反。隨著主軸轉速增大，孔底表面粗糙度將逐漸減小。這是由于主軸轉速提高，即磨粒切削線速度提高，單位超聲振動周期內磨粒劃擦材料表面的距離變長，在材料去除率相同的情況下，單顆磨粒的最大未變形切削深度減小，降低了磨粒所受的載荷，減弱了側向裂紋成核的深度及擴展程度，從而降低了材料破碎程度，提高了孔底的表面質量。

相反地，孔壁表面粗糙度隨著主軸轉速的增大而增大，在主軸轉速小于18 000 r/min時，主軸轉速對孔壁表面粗糙度的影響較小，而主軸轉速超過18 000 r/min時，主軸轉速對孔壁表面粗糙度影響較明顯。在主軸轉速達到22 000 r/min時，出現孔壁表面粗糙度大于孔底表面粗糙度的情況。這可能是由于主軸轉速增大，加劇了刀具與扭轉方向超聲振動的耦合作用，使刀具側面磨粒對孔壁表面的沖擊更明顯，從而使孔壁表面粗糙度增大。

3.4 螺旋進給速度對孔底和孔壁表面粗糙度的影響

螺旋進給速度對孔底和孔壁表面粗糙度的影響如圖7所示。

圖7 螺旋進給速度對孔底和孔壁表面粗糙度的影響

圖7所示的結果表明：

螺旋進給速度對孔底和孔壁表面粗糙度的影響趨勢總體上相反。隨著螺旋進給速度增大孔底表面粗糙度先增大后減??；當螺旋進給速度大于875 mm/min時，提高螺旋進給速度對降低孔底表面粗糙度的效果不明顯，可見高進給速度下對孔底表面粗糙度的影響較小。這是由于螺旋進給速度增大，材料去除效率提高，部分材料未被完全切除，孔底表面殘留材料過多使表面質量變差；而當進給速度超過750 mm/min時，而隨著進給速度進一步增大，使磨粒切削線速度增大提高表面質量的效果更顯著，從而使表面粗糙度降低。

一方面材料的去除率提高，降低了表面質量；另一方面磨粒線切削線速度提高，提高了表面質量。這對矛盾哪一方面起主導作用，決定了孔底表面粗糙度值的變化趨勢。

而孔壁表面粗糙度隨著螺旋進給速度增大先減小后增大。這是由于增大螺旋進給速度，單位時間內參與切削的側面磨粒數增多，單顆磨粒的去除體積減小，有利于提高塑性去除比例；同時，側面磨粒對孔壁多次修整，殘留材料逐漸被切除，使表面質量提高；而隨著螺旋進給速度進一步提高，刀具振動劇烈，使表面質量變差。

這與高主軸轉速情況下提高主軸轉速使表面質量降低的原因有共通之處。

4 結束語

筆者采用超聲振動螺旋磨削方式進行制孔，在驗證縱扭超聲振動加工優勢的基礎上，重點探究了縱扭超聲振動加工不同工藝參數對制孔表面質量的影響規律，得到以下結論：

(1)縱扭超聲振動加工更有利于提高制孔表面質量。相比普通加工和一維縱向超聲加工，縱扭復合超聲振動加工孔壁表面粗糙度降低幅度為8.0%～49.6%；孔底表面粗糙度降低幅度為17.9%～29.8%；

(2)孔壁和孔底表面的形成既有共通點又存在一定的差異?？椎妆砻嬷饕嵌嗣婺チＧ邢鞑牧闲纬傻?；而孔壁表面與刀具端面邊緣磨粒與材料相互作用有關，也與側面磨粒對孔壁表面材料的相互作用有關；

(3)在選取參數范圍內，超聲振幅、螺距對孔底和孔壁表面粗糙度的影響趨勢相似。而主軸轉速及螺旋進給速度對兩者表面粗糙度的影響趨勢總體上相反。若加工通孔，則直接以孔壁表面粗糙度的影響規律為參考進行參數匹配。而若加工盲孔，需重點對影響規律相反的工藝參數進行考慮，兼顧孔壁和孔底的表面質量。