超声振动辅助磨削完全烧结氧化锆陶瓷牙冠的实验研究

郑 侃,肖行志,廖文和

(南京理工大学 机械工程学院，南京 210094)

氧化锆陶瓷以其良好的生物相容性、化学稳定性、耐磨性以及表面光洁度，使之在口腔硬组织修复领域倍受青睐[1-3]。传统全锆牙的制作工艺是通过对预烧结氧化锆瓷块进行高速铣削或磨削后再进行二次烧结后获得。由于在二次烧结过程中受成型压力、粉体粒度、维压时间和水分含量等因素的影响，收缩率难以精确计算[4]，实际生产中技工仅凭经验对CAD模型进行20%-25%的缩放，如图1所示。石连水等[5]通过研究发现，材料厂家提供的参数均以没有内核的标准件(如正方形)测试出来的，与实际情况有明显差别，并通过实验研究得出烤瓷牙冠不同部位收缩率不同。因此，为了避免氧化锆陶瓷类牙冠因二次烧结所引起的精度误差，最理想和便捷的途径便是将超声振动辅助加工技术引入口腔修复领域。超声振动的辅助可实现对完全烧结氧化锆陶瓷的直接加工，不仅避免了二次烧结过程中的体积收缩，同时缩短了病人的等待时间。

近年来，超声振动辅助磨削技术以其优良的工艺效果成为脆硬材料成形加工的首选。Churi等[6-8]提出了一种超声振动辅助磨削陶瓷材料的去除率模型，阐明了材料去除率和加工参数之间的关系；Mohammad等[9]对不锈钢材料进行了超声振动辅助磨削实验，分析了主轴转速和超声振幅对切削力的影响规律；Gong等[10]等对比分析了超声加工和普通金刚石磨削过程中的刀具磨损性能；Nath等[11]等对碳化硅陶瓷进行了超声振动辅助磨削实验，分析了材料的去除机理；郑书友等[12-13]对硬脆性材料超声振动辅助磨削过程中的脆塑性转变、切削力、亚表面损伤等进行了深入研究；张向慧等[14]对超声振动辅助磨削的振动系统进行了研究，并通过有限元仿真验证了设计的合理性。虽然已有部分文献对超声振动辅助磨削陶瓷和金属合金材料的加工特性进行了分析，但关于牙科陶瓷材料，特别是完全烧结后氧化锆陶瓷的超声加工技术却鲜有报道。

图1 传统氧化锆陶瓷牙冠的制作工艺

本文将以该材料为研究对象，采用超声振动辅助磨削和普通金刚石磨削两种工艺进行孔和平面的加工实验。从超声振动辅助磨削的运动学特性、材料去除率、加工质量等方面进行深入研究，并与无超声辅助下的普通金刚石磨削结果进行对比分析。

1 超声振动辅助磨削的运动学特性分析

目前对超声振动辅助磨削技术的研究大多集中在振动和工艺参数对实验结果的影响，而对其运动学原理的分析相对较少。本节主要通过对超声振动辅助磨削的运动学特性进行分析，为后续的实验设计及数据分析提供更为科学、合理的依据。本节所研究的运动学特性均以金刚石刀具上的单颗磨粒为研究对象。超声振动辅助磨削中主要包含三种运动方式，围绕轴向的旋转运动、沿着轴向的进给运动以及轴向的超声振动。由于牙冠表面的特殊形貌，仅通过超声振动辅助磨削孔加工难以实现，必须将超声振动辅助磨削平面(曲面)与其相结合。文献[8,15]均已给出了前者的运动学方程，并进行了深入研究。而超声振动辅助磨削平面的运动学特性则更为复杂，主要是因为其进给方向和超声振动的方向不一致。单颗磨粒的有效切削速度由沿着径向的进给速度vf、刀具的旋转速度vc以及超声振动的速度vu三部分合成，如图2所示。

图2 超声振动辅助磨削平面的运动特性及单颗磨粒的有效切削速度示意图

(1)

图3 超声振动辅助磨削平面单颗磨粒的运动轨迹

(2)

将式(1)代入式(2)可得：

(3)

同时，对单颗磨粒位移S(t)进行求导可得其有效切削速度：

(4)

(5)

(6)

(7)

2 超声振动辅助磨削实验

2.1 实验设计及参数设置

本次实验内容为采用超声振动辅助磨削和普通金刚石磨削完全烧结的氧化锆陶瓷孔和平面。实验均在德国DMG(ULTRASONIC20linear)超声振动切削加工中心上完成。采用的金刚石刀具内径为6.5 mm，外径为8.0mm，冷却液为乳化液。工件为完全烧结的氧化锆陶瓷，由秦皇岛爱迪特高技术陶瓷有限公司提供，机械性能如表1所示。加工孔和平面的工件尺寸分别为：20 mm×15 mm×14 mm，30 mm×15 mm×4 mm，实验参数设置如表2所示。

表1 完全氧化锆陶瓷的性能指标

表2 超声振动辅助磨削实验参数设置

2.2 实验结果检测及分析

2.2.1 主轴转速对材料去除率的影响分析

材料的去除率决定了牙冠的加工效率。虽然采用超声振动辅助磨削完全烧结的氧化锆陶瓷避免了传统工艺中的二次烧结，大幅度缩短了牙冠的制作周期，但其去除率仍是关注的焦点。以加工孔为例，对比分析两种不同加工方式下的材料去除率，计算公式如下：

(8)

其中，r2为加工孔的外半径，r1为内半径，d为加工孔的深度，如图4所示，t为加工时间。图5为两种加工方式下，主轴转速对完全烧结氧化锆陶瓷材料去除率的影响曲线。

图4 加工孔的尺寸示意图

图5 主轴转速对两种加工方式下的材料去除率影响曲线

从中可以看出，超声振动的辅助有利于提高完全烧结后氧化锆陶瓷材料的去除率。采用普通金刚石磨削，其去除率随主轴转速的增大而增大。在超声振动的辅助下，当转速在2 000～5 000 r/min时去除率随着主轴转速的增大而增大，这与Li等[16]研究低转速情况下陶瓷基复合材料去除率的实验结果一致；当主轴转速提至5 000～8 000 r/min时，材料的去除率则呈现递减趋势，且在8 000 r/mi时两种加工方式下的材料去除率基本相等。这主要是由于主轴转速增大到某一特定的值时，超声振动辅助磨削过程中刀具和工件的接触时间增大，当增大到与普通金刚石磨削基本相同时，两者不存在分离现象，因此超声辅助的作用明显弱化，从而使得两种加工方式的材料去除率较为接近。另外，无论是超声振动辅助磨削还是普通金刚石磨削，主轴转速对该材料的去除率影响不大。

2.2.2 主轴转速对表面粗糙度影响分析

牙冠修复体属复杂精密件，在完成加工后需植入人体口腔固定在损坏的残牙基体上，因此对于其加工精度特别是表面粗糙度的要求比较高。本文采用中国生产的宝棱JB-5C粗糙度仪对超声振动辅助磨削和普通金刚石磨削平面的表面轮廓平均算术偏差Ra进行精确测量。其中测量长度为10 mm，取样长度为0.25，采样速度为0.5 mm，段数为5L，传感器选择标准，触针半径为2 μm，杆长为17 mm。测量结果如表3所示，主轴转速对两种加工方式下的粗糙度影响曲线如图6所示。

从图6中可以看出，采用超声振动辅助磨削后的工件表面质量明显好于普通金刚石磨削。两种加工方式下的工件表面粗糙度均随着主轴转速的增大而增大，这与Razfar等[17]开展AISI1020钢的超声振动辅助磨削实验结果一致，但与Churi等[18]研究钛合金的结果正好相反。另外，超声振动辅助磨削过程中，在2 000～5 000 r/min时，工件表面粗糙度受主轴转速影响明显小于5 000～8 000 r/min，而通过改变普通金刚石磨削的主轴转速发现工件表面粗糙度受其变化影响较小。

表3 两种加工方式下工件表面粗糙度测量结果

图6 主轴转速对两种加工方式下的粗糙度影响曲线

2.2.3 主轴转速对边缘碎裂影响分析

由于牙冠属于复杂薄壁结构件且尺寸较小，特别是其颈缘处为了满足临床上与基底冠或残牙的配合精度要求，均具有锋利的边缘。同时，牙冠在使用过程中会因为边缘碎裂降低其强度从而导致失效。因此，出口边缘碎裂是检验其加工质量的重要因素，必须通过相应的措施来减少出口边缘碎裂对牙冠加工精度和质量的影响[19]。

对加工孔出口位置最大边缘碎裂尺寸的测量采用的是KEYENCE超景深三维显微系统(型号：VHX-600E)。图7和图8为主轴转速在2 000 r/min和8 000 r/min时，放大50倍后得到的普通金刚石磨削和超声振动辅助磨削完全烧结氧化锆陶瓷的边缘碎裂对比情况。图9为主轴转速对两种加工方式所产生的最大边缘碎裂宽度的影响规律。

图7 转速为2000 r/min时完全烧结氧化锆陶瓷在两种加工方式下的边缘碎裂

图8 转速为8 000 r/min时完全烧结氧化锆陶瓷在两种加工方式下的边缘碎裂

图9 主轴转速对两种加工方式下的最大边缘碎裂宽度影响曲线

根据测量结果可得，同等工况下超声振动辅助磨削的边缘碎裂程度较普通金刚石磨削有明显改善。当主轴转速为2 000 r/min时，采用普通金刚石磨削孔的出口边缘有多处发生碎裂，且碎裂宽度最大，达到了739.63 μm，而当转速达到8 000 r/min时碎裂情况有所好转仅在顶端出现1-2处的缺损，但最大碎裂宽度无明显变化。这主要是在低转速情况下的切削力较大，导致在出口处产生多处碎裂，但由于受加工工艺和完全烧结氧化锆陶瓷材料硬度的影响，其边缘碎裂尺寸变化不大。超声振动辅助磨削与之类似，但图7(b)和图8(b)的碎裂程度几乎没有发生变化。因此，就边缘碎裂情况而言，普通金刚石磨削受主轴转速影响远大于超声振动辅助磨削。同时，在超声振动的辅助下，转速为2 000 r/min时，陶瓷工件最大边缘碎裂宽度为187.74μm；在8 000 r/min时碎裂尺寸达到最小，仅为96.22 μm。因此可认为，超声振动的辅助使得完全烧结氧化锆陶瓷的边缘碎裂情况得到了很好的控制。另外，从图9可得，在超声振动辅助作用下，最大边缘碎裂的宽度随着转速的增大而降低，并且在2 000～5 000 r/min范围内比5 000～8 000 r/min范围内的降幅更大。而在普通金刚石磨削情况下则有所不同，最大边缘碎裂宽度在主轴转速为2 000～5000 r/min范围内随着转速的增大而减小，在5 000～8 000 r/min范围内随着转速的增大而增大。

3 结 论

(1)超声振动的辅助有利于提高完全烧结氧化锆牙科材料的去除率，但受主轴转速影响较小。

(2)在加工完全烧结氧化锆牙科材料时，超声振动的辅助有利于降低工件表面粗糙度，特别是在主轴转速较低时效果明显。

(3)超声振动的辅助有利于抑制工件边缘碎裂，大幅度降低其碎裂宽度。同时，随着主轴转速的增大，最大边缘碎裂尺寸逐步减小。

另外，由于牙冠表面形貌较为复杂且多为薄壁件，因此，在后续的可行性研究中应考虑采用超声振动辅助磨削复杂曲面的特性，并分析其亚表面损伤机理。

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