超声振动辅助下硬脆材料磨削划擦性能分析

2023-10-03新乡职业技术学院数控技术学院河南新乡市453006

石河子科技 2023年5期

（新乡职业技术学院，数控技术学院，河南新乡市，453006）杨杨

采用超声辅助磨削方式可以对工程陶瓷材料加工性能发挥显著改善效果，但根据国内外文献报道发现当改变振动模式或参数时产生的效果也存在明显区别。为准确分析掌握超声辅助磨削效果，为生产实践提供指导意义，还需针对超声辅助磨削加工过程开展更加深入研究[1-2]。

在超声振动状态下对单点金刚石压头开展划痕测试是分析超声辅助磨削加工机制，特别是单颗磨粒去除性能评价的一种高效方法[3]。上述方法可以对单颗磨粒发生的磨削过程进行模拟，能够从微观层面探讨超声振动对磨削加工的效果[4]。目前已有很多学者开展了以上研究工作。通常都是根据单颗磨粒划擦的效果构建对应的数学模型，再通过砂轮磨削实验对模型开展验证，并未根据单颗粒划擦效果验证模型性能[5-6]。本文选择金刚石压头模拟砂轮单颗磨粒为测试对象，针对不同划擦深度下常规划擦与超声振动划擦测试。

1 试验条件

利用金刚石压头组成机床刀柄再对刀具进行夹持固定，根据机床进给速度设定划擦速度参数，并且刀柄处较易产生超声振动，由此完成超声振动辅助划擦的效果。本实验以加工中心(US70，DMG)作为测试系统，通过直线运动系统开展划擦测试，将机床横向进给速度设定在0.1m/min。

为准确设定切入点位置，选择声发射仪器和测力仪完成对刀控制。以下给出了具体处理步骤：保持压头以缓慢速度降低到阈值范围外的声发射信号，再以该此点位置作为零点。

采用30mm×30mm×10mm 方形碳化硅陶瓷试样，洛氏金刚石压头，保持其切削锥角为120°，刃半径为25μm。压头和超声刀柄质检以螺纹结构相连。设定划痕超声振幅0μm、1.55μm 与3.1μm，再将其他参数都设定为同样数值。

利用基恩士VK-X260K 激光共聚焦显微镜观察工件表面微观形貌，通过自主开发的表面形貌分析软件对测试结果开展统计分析。

2 测试方案

本文将试样置于共聚焦显微镜下进行划痕微观形貌表征，结合形貌测试参数分析划痕尺寸与面积的影响因素。按照图1方式对划痕微观形貌进行表征，采用激光共聚焦显微镜测试划痕组织形貌。结合初始平面分辨划痕沟槽、凸起与初始平面范围。

图1 数据处理流程

3 划擦力分析

图2 所示，不同划痕切入深度下形成的法向划擦力。结果发现，两种划擦方式下形成的法向划擦力跟切入深度之间都保持线性变化趋势，通过线性拟合得到的R2 都超过95%。存在超声振动情况下，随着深度的增大，法向力相对常规划擦方式发生了显著减小，斜率减小近70%。根据图1可知，设置超声辅助时发生了法向划擦力的大幅减小。超声振幅达到3.1μm时，相对1.55μm条件下发生了划擦力的更明显降低，但并未达到非常突出程度。

图2 法向力分布

图3 所述，不同划痕切入深度下的切向划擦力测试数据，可以看到跟法向划擦力形成了相近的变化趋势，此时切向划擦力和深度间保持一阶线性正相关的变化规律，通过线性拟合得到的R2 都超过93%。设置超声的条件下，切向力升高速度接近无超声条件下的70%。将超声振幅提高到3.1μm时形成了比1.55μm更大程度的切向划擦力降幅。

图3 切向力分布

图4 所示，对划擦阶段不同切入深度下进行划擦力比测试得到的曲线。通过分析划擦力比可知都介于0.1～0.5范围内，与振幅1.55μm条件下的划擦测试结果相比，将振幅提高制3.1μm 时发生了划擦力比的显著降低。结合图3测试结果可知增大切入深度时，发生了划擦力比的持续升高，而当压头发生磨损时形成更大刃圆半径情况下引起划擦力比的轻微降低。

图4 划擦力比分布

本实验以碳化硅陶瓷材料作为两相材料，包括大尺寸SiC 颗粒与小尺寸SiC 以及较多的游离硅设置超声条件下形成的划擦划痕在各组织相中的表现存在较大差异。根据测试可知，混合相中的材料基本都是诚信微破碎的模式去除，进入崩碎阶段时主要形成SiC颗粒。引起该结果的原因是游离硅与SiC 颗粒可以形成高强度混合相，并且产生多界面结构时也对裂纹扩展起到抑制作用，因此更易表现为微破碎的模式。经过磨削处理的表面也产生了相近的特征，对于SiC颗粒尺寸接近10μm的碳化硅陶瓷材料，崩碎都是先出现在SiC 与Si 相界面缺陷处。