氧化铝陶瓷旋转超声铣磨加工磨削力研究①

王 磊， 董金善， 杨林娟，

（1.南通职业大学 机械工程学院，江苏 南通 226007； 2.南京工业大学 机械与动力工程学院，江苏 南京 211816）

随着现代工业快速发展，人们对工程陶瓷材料的需求日益增多。 氧化铝陶瓷具有硬度高、熔点高、绝缘性能和耐蚀性能好等优点，是航空航天、过程装备、仪器仪表等领域的重要零部件材料［1-2］。 氧化铝陶瓷硬度大、脆性强，属于难加工材料，普通铣磨加工后工件表面损伤较严重，制约了其进一步发展［3-4］。 旋转超声铣磨的加工方式可有效改善硬脆材料的加工性能［5-6］。文献［7］基于氧化锆陶瓷超声磨削实验，研究了磨削力随主轴转速、进给速度、磨削深度以及砂轮粒度的影响规律，并建立了磨削力模型。 文献［8］建立了磨削力预测模型，同时对氟金云母材料进行了超声振动辅助磨削，研究了磨削力随主轴转速、进给速度、磨削深度和超声振幅变化的规律。 文献［9］基于单晶硅材料，研究了不同超声振动方向下超声辅助磨削时磨削力的变化规律，并与普通磨削时的磨削力进行了对比。

磨削力是铣磨加工性能的重要评价指标之一［10］。目前，业界对不同工艺参数下旋转超声铣磨氧化铝陶瓷磨削力影响规律的研究还不够充分。 因此，本文以氧化铝陶瓷为加工对象，进行了普通铣磨和旋转超声铣磨对比试验［11］，研究了磨削力随铣磨参数的变化规律。

1 磨粒切削机理分析

进行铣磨加工时砂轮与工件的相对位置如图1 所示。 砂轮作旋转运动，在超声振动的作用下，砂轮沿着主轴轴线方向振动，同时工件沿着一定的方向和速度作进给运动。 砂轮表面由多颗磨粒构成，为了能更直观简洁地分析加工时磨粒的切削轨迹及机理，绘制了两颗磨粒在不同超声功率条件下铣磨时的切削加工轨迹，如图2 所示。 从图2 可以看出，超声功率0 W，即普通铣磨时，加工轨迹由两条相互平行的直线构成；旋转超声铣磨时，超声功率为P1时，作用于砂轮上的振幅为A1，加工轨迹由两条正弦曲线构成，曲线与曲线之间相互交叠干涉；超声功率增加至P2（P2＞P1）时，作用于砂轮上的振幅为A2，两条正弦曲线的变化幅度更加明显。 由此可见，超声振动的引入以及不同的超声功率使得磨粒对工件的切削轨迹发生变化，加工机理的改变会导致磨削力存在差异，进而影响工件的加工性能及表面形貌。 图2 表明，超声功率越大，切削轨迹振幅越大，加工的表面质量趋向于更好。

图1 铣磨加工示意图

图2 磨粒切削轨迹示意图

2 试验条件

本试验所用机床为CY-VMC850 加工中心。 超声系统装置装夹于机床主轴处。 进行超声铣磨加工时，超声电源发出高频电信号后，基于电磁感应原理将电能传递至超声刀柄上的线圈，再经过超声刀柄上换能器的转换和变幅杆的放大，最终将振动作用传递至砂轮上。关闭超声电源后即转换为普通铣磨加工。 工件材料为氧化铝陶瓷，其长×宽×高为50 mm×50 mm×6 mm，材料性能参数如表1 所示。 刀具采用小直径电镀金刚石砂轮，直径14 mm，宽度10 mm，金刚石粒度为80＃（0.178 mm）。 采用干磨的加工方式，通过调节机床工作台进给速度来实现工件进给速度的变化，选用的工艺参数如表2 所示。 采用KISTLER-9255B 测力仪测量磨削力，采用KH-7700 超景深显微镜观察工件表面形貌。

表1 材料性能参数

表2 干磨加工参数

3 试验结果与分析

3.1 超声功率对磨削力的影响

旋转超声铣磨加工时磨削力随超声功率的变化规律见图3。 在砂轮线速度4.02 m／s、进给速度150 mm／min、铣磨深度7 μm 条件下，超声功率从0 增加至90 W时，法向磨削力从4.35 N 下降至3.30 N，切向磨削力从1.03 N 下降至0.79 N，磨削力随着超声功率增大呈下降趋势。 由磨粒切削轨迹分析可知，超声振动的引入使得切削特性发生了改变，磨粒切削轨迹的干涉作用使得单位时间内工件表面被切削的次数增多，切屑更细，工件材料得到更加有效的去除。 随着超声功率增大，正弦轨迹曲线的波动幅度增大，振动冲击作用更强，旋转超声的高频振动冲击作用促进了材料裂纹的生长，利于破碎去除，磨粒切入材料的难度降低，去除材料受到的阻力减小，磨削力下降。

图3 磨削力与超声功率的关系

图4 为普通铣磨和旋转超声铣磨后工件表面形貌。 超声功率0 W，即普通铣磨后，工件表面存在多条互相平行的深磨痕，平整均匀性差，表明较高的磨削力得到的工件表面形貌不佳；超声功率90 W，即旋转超声铣磨后，工件表面只存在少许交叉重叠的正弦曲线划痕，表面相对平整，表明超声作用下较低的磨削力能得到较好的工件表面形貌。

3.2 砂轮线速度对磨削力的影响

旋转超声铣磨及普通铣磨加工时，磨削力随砂轮线速度的变化规律如图5 所示。 在进给速度150 mm／min、铣磨深度7 μm 条件下，砂轮线速度从1.09 m／s 增加至5.49 m／s，普通铣磨时的法向和切向磨削力分别从7.43 N 和1.71 N 下降至3.29 N 和0.68 N，旋转超声铣磨时的法向和切向磨削力分别从6.28 N 和1.49 N 下降至2.62 N 和0.57 N，磨削力均随着砂轮线速度提高呈下降趋势。 这是由于增大砂轮线速度后，单位时间内砂轮磨粒与工件表面接触的次数增多，单颗磨粒的切削厚度变小，材料去除的难度减轻，切削阻力减小。此外，提高砂轮线速度也会导致铣磨温度增高，一定程度上使得工件表面软化，去除材料时受到的阻力减小，磨削力呈现下降趋势。 对比分析可知，旋转超声铣磨时的磨削力更小，砂轮线速度4.02 m／s 时，旋转超声铣磨的磨削力降幅最大，其中法向磨削力可降低24.17%、切向磨削力可降低23.30%。

图5 磨削力与砂轮线速度的关系

3.3 进给速度对磨削力的影响

旋转超声铣磨及普通铣磨加工时，磨削力随进给速度的变化规律如图6 所示。 在砂轮线速度1.09 m／s、铣磨深度7 μm 条件下，进给速度从150 mm／min 增加至600 mm／min，普通铣磨时的法向和切向磨削力分别从7.43 N 和1.71 N 增加至13.36 N 和3.18 N，旋转超声铣磨时的法向和切向磨削力分别从6.28 N 和1.49 N 增加至11.90 N 和2.83 N，磨削力均随着进给速度提高而呈上升趋势。 提高了进给速度后，砂轮磨粒与工件表面在单位周期内的接触频率减小，需要去除材料的体积更多，单颗磨粒的切削厚度增大，切削阻力增大，因此磨削力呈现上升趋势。 对比分析可知，旋转超声铣磨时的磨削力更小，进给速度150 mm／min 时，旋转超声铣磨的磨削力降幅最大，其中法向磨削力可降低15.48%、切向磨削力可降低12.87%。

图6 磨削力与进给速度的关系

3.4 铣磨深度对磨削力的影响

旋转超声铣磨及普通铣磨加工时，磨削力随铣磨深度的变化规律如图7 所示。 在砂轮线速度1.09 m／s、进给速度150 mm／min 条件下，铣磨深度从7 μm 增加至22 μm，普通铣磨时的法向和切向磨削力分别从7.43 N和1.71 N 增加至23.56 N 和5.79 N，旋转超声铣磨时的法向和切向磨削力分别从6.28 N 和1.49 N 增加至20.37 N 和5.09 N，磨削力均随着铣磨深度提高而呈上升趋势。 提高了铣磨深度后，砂轮磨粒在单位时间内去除材料的体积增多，同时切削弧长变长，单颗磨粒的切削厚度增大，材料去除时受到的阻力增大，导致磨削力上升。对比分析可知，旋转超声铣磨时的磨削力更小，铣磨深度12 μm 时，旋转超声铣磨的磨削力降幅最大，其中法向磨削力可降低18.36%、切向磨削力可降低21.10%。

图7 磨削力与铣磨深度的关系

4 结 论

1） 在砂轮线速度4.02 m／s、进给速度150 mm／min、铣磨深度7 μm 条件下，超声功率从0 W 增大至90 W时，磨削力呈降低趋势，表面形貌显著改善。

2） 随着砂轮线速度增大、进给速度和铣磨深度减小，旋转超声铣磨和普通铣磨时的磨削力均呈减小趋势。

3） 在试验加工参数范围内，旋转超声铣磨时磨削力均低于普通铣磨时。 砂轮线速度4.02 m／s、进给速度150 mm／min、铣磨深度7 μm 时旋转超声铣磨的磨削力有最大降幅，法向磨削力降低了24.17%，切向磨削力降低了23.30%。