氧化铝陶瓷旋转超声铣磨加工表面粗糙度研究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）

随着航空航天、过程装备等行业的快速发展，硬脆材料的需求日益增多。氧化铝陶瓷是研究和应用较广泛的一种工程陶瓷，具有熔点高、硬度高、绝缘性能好、耐蚀性能好等优点，被广泛用作高温结构材料、耐腐蚀材料、电绝缘材料等［1⁃3］。由于这类材料硬度大、脆性强，普通铣磨加工后工件易出现表面损伤，机械性能较差［4⁃5］。旋转超声铣磨是在普通铣磨加工中施加超声振动的一种加工方式，具有表面质量好、材料去除率高等加工优势［6⁃8］。目前国内外已有部分学者在旋转超声条件下对氧化铝陶瓷加工进行了实验研究［9⁃11］，但对不同加工条件下旋转超声铣磨氧化铝陶瓷表面粗糙度的影响规律研究较少。本文以氧化铝陶瓷为被加工对象，在不同加工条件下进行了普通铣磨和旋转超声铣磨的对比试验，研究了加工工件的表面粗糙度随超声功率、砂轮线速度、进给速度、铣磨深度以及砂轮粒度的变化规律，对提高氧化铝陶瓷的加工质量具有借鉴意义。

1 试 验

1.1 试验设备及原理

本次试验在CY⁃VMC850加工中心上进行。试验平台如图1所示。超声刀柄装夹于机床主轴处，待加工材料黏结于金属垫块上，通过台虎钳夹紧后跟随机床工作台以一定的方向和速度作进给运动。当进行超声铣磨加工时，超声装置的工作原理是：当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，再经过换能器转换、变幅杆放大，最终将振动作用传递至砂轮上。该装置关闭超声电源后即转换为普通铣磨加工设备。

图1 试验平台

1.2 试验材料及方法

选用氧化铝陶瓷材料作为加工对象，工件长50 mm、宽50 mm、厚6 mm，材料性能参数如表1所示。加工刀具为小直径电镀金刚石砂轮，规格为Φ14 mm×10 mm，粒度分别选用170＃和80＃。采用干磨方式对工件侧面进行铣磨加工，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，各加工参数如表2所示。采用型号为TR240的表面粗糙度测量仪测量试验后工件表面粗糙度，采用型号为KH⁃7700的超景深显微镜观察分析试验后工件表面形貌。

表1 材料性能参数

表2 加工参数

2 试验结果与分析

2.1 超声功率对表面粗糙度的影响

砂轮粒度170＃，vs＝2.56 m／s、vw＝100 mm／min、ap＝7 μm条件下进行氧化铝陶瓷铣磨试验，工件表面粗糙度随超声功率的变化规律如图2所示。结果表明，当超声功率从0增大到90 W时，工件表面粗糙度从1.23 μm下降到1.04 μm，降低幅度约为14.8%。增大超声功率对改善工件表面粗糙度有显著作用，这是因为超声振动使得砂轮上磨粒对工件的切削轨迹发生了变化。图3为在不同超声功率条件下铣磨时磨粒的切削轨迹。当超声功率为P1和P2时砂轮振动幅度分别为A1和A2，由于P1＜P2，故A1＜A2；δ表示初始时相邻两颗磨粒的间距。当超声功率为0，即普通铣磨时，加工轨迹由多条平行的直线构成，工件表面被切削的范围及材料去除能力有限。旋转超声铣磨时，超声功率为P1，砂轮在进行旋转运动的同时加入了轴向振动运动，使加工轨迹由多条正弦曲线构成，曲线与曲线之间有交叠干涉的部分。这就意味着单位时间内工件表面被切削的范围增大、次数增多，能更加有效地去除工件材料。超声功率增加至P2，正弦轨迹曲线的变化幅度变大，加工轨迹覆盖的范围更广，切削路径更长，轨迹交叠的范围也越大，工件表面被切削的次数也越多，残留在工件表面上的材料更容易被切除，故表面粗糙度降低。此外，由于旋转超声的高频振动切削特性，降低了磨削力，去除陶瓷材料时产生的崩碎现象减轻，工件表面平整性变好，改善了工件的表面粗糙度。

图2 超声功率与表面粗糙度的关系

图3 切削轨迹示意

超声功率0和90 W加工工件表面形貌如图4所示。由图4可见，超声功率为0，即普通铣磨后，工件表面存在多条互相平行的划痕，残留的碎屑多，破碎量大，平整性差，其表面粗糙度较高；超声功率为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，残留的碎屑及破碎量较少，表面相对平整，表面粗糙度较低。

图4 超声功率与表面形貌的关系

2.2 砂轮线速度对表面粗糙度的影响

砂轮粒度170＃、vw＝100 mm／min、ap＝7 μm条件下对氧化铝陶瓷进行普通／超声铣磨试验，表面粗糙度随砂轮线速度的变化规律如图5所示。结果表明，砂轮线速度从1.09 m／s增加到5.49 m／s时，普通铣磨表面粗糙度从1.36 μm下降到1.02 μm，旋转超声铣磨表面粗糙度从1.22 μm下降到0.87 μm，表面粗糙度均随着砂轮线速度提高而下降。与普通铣磨相比，旋转超声铣磨后工件的表面粗糙度值更小，其表面粗糙度下降幅度为10.6%～19.3%。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次数增多，单颗磨粒切削厚度变小，工件表面残留的材料体积能被有效去除。此外，提高砂轮线速度也会导致切削温度升高，一定程度上使得加工表面上材料软化，减轻材料去除时产生的崩碎现象，表面粗糙度得到改善。

图5 砂轮线速度与表面粗糙度的关系

2.3 进给速度对表面粗糙度的影响

砂轮粒度170＃、vs＝2.56 m／s、ap＝7 μm条件下对氧化铝陶瓷进行普通／超声铣磨试验，表面粗糙度随进给速度的变化规律如图6所示。结果表明，工件进给速度从100 mm／min增加到550 mm／min时，普通铣磨后表面粗糙度从1.23 μm上升到1.51 μm；旋转超声铣磨后表面粗糙度从1.04 μm上升到1.39 μm。无论是普通铣磨还是旋转超声铣磨，进给速度增大时，表面粗糙度均呈增大趋势。与普通铣磨相比，旋转超声铣磨后工件表面粗糙度值更小，其表面粗糙度下降的幅度为7.6%～14.8%。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，单颗磨粒的切削厚度增大，工件表面残留的材料体积变多，陶瓷材料不能充分去除。同时增大进给速度会使磨削力增大，导致工件表面材料崩碎断裂严重，工件表面的凹凸不平程度严重，表面粗糙度增大。

图6 进给速度与表面粗糙度的关系

2.4 铣磨深度对表面粗糙度的影响

砂轮粒度170＃、vs＝2.56 m／s、vw＝100 mm／min条件下对氧化铝陶瓷进行普通／超声铣磨试验，表面粗糙度随铣磨深度的变化规律如图7所示。结果表明，铣磨深度从7 μm增加到22 μm时，普通铣磨后表面粗糙度从1.23 μm上升到1.53 μm，旋转超声铣磨后表面粗糙度从1.04 μm上升到1.45 μm。无论是普通铣磨还是旋转超声铣磨，铣磨深度增大时，表面粗糙度均增大。与普通铣磨相比，旋转超声铣磨后工件表面粗糙度值更小，其表面粗糙度下降幅度为5.2%～14.8%。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更多，单颗磨粒的切削厚度增大，工件表面残留的材料体积增多，加工时留下的划痕较深，同时磨削力的增加使得加工时工件材料的崩碎断裂较为严重，工件表面的起伏波动较大，表面粗糙度增大。

图7 铣磨深度与表面粗糙度的关系

2.5 砂轮粒度对表面粗糙度的影响

按表3所示方案，研究了不同粒度砂轮所得氧化铝陶瓷表面粗糙度的变化规律，结果如图8所示。结果表明，与80＃砂轮相比，170＃砂轮旋转超声铣磨后得到的表面粗糙度值更低，下降幅度约为9.7%～23.1%。相比80＃砂轮，170＃砂轮在单位面积内参与铣磨的磨粒数量更多，单颗磨粒去除陶瓷材料的厚度更小，铣磨后表面残留的体积更少，划痕更细，表面更加平整光滑，且由于超声振动条件下砂轮磨粒运动方式改变，得到的表面粗糙度就更小。

表3 砂轮粒度条件试验方案

图8 砂轮粒度与表面粗糙度的关系

采用表3试验序号2的试验参数，对不同粒度砂轮旋转超声铣磨后的工件表面形貌进行了观察对比，结果如图9所示。由图9可知，80＃砂轮旋转超声铣磨后，表面存在一定量明显的正弦曲线划痕，划痕较深，表面粗糙度较高；而170＃砂轮旋转超声铣磨后，表面只存在少许的正弦曲线划痕，划痕较浅，平整性相对较好，表面粗糙度较低。

图9 砂轮粒度与表面形貌的关系

3 结 论

通过氧化铝陶瓷普通铣磨与旋转超声铣磨加工对比试验，分析了加工工件表面粗糙度随超声功率、砂轮线速度、进给速度、铣磨深度以及砂轮粒度的变化规律，得出如下结论：

1）随着超声功率增大，表面粗糙度降低，同时加工表面划痕、碎屑及破碎现象明显减轻，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后得到的工件表面粗糙度均减小；旋转超声铣磨相比于普通铣磨，工件表面粗糙度下降幅度更大。

3）与80＃砂轮相比，170＃砂轮旋转超声铣磨后能得到更低的表面粗糙度，表面划痕相对少而浅，平整性较好，即采用细粒度的砂轮加工效果更好。