可以加工氧化锆陶瓷磨削表面的陶瓷雕铣机

　　氧化锆陶瓷磨削表面质量仿真与实验研究

　　随着科学技术的不断发展，工程陶瓷在车辆、航空航天、军用设备和光学仪器等领域应用越来越广泛，而且对零件表面质量要求极高。由于陶瓷的硬脆特性，磨削时材料的去除方式宏观上表现为脆性去除，很难获得优异的加工表面质量。因此，傅玉灿等采用磨粒有序排布的砂轮及其精细的修整工艺实现单颗磨粒切厚均匀化，使得每颗磨粒都处于脆性材料的延性加工状态，从而实现脆性材料的延性域磨削。

　　研究了微米级磨粒几何参数对延性域磨削的影响，提出通过控制磨粒几何参数并结合粗磨粒金刚石砂轮以实现硬脆材料高效的镜面加工方法，发明了硬脆材料磨削脆-延转化临界切削深度确定方法和装置，进行了硬脆材料椭圆超声波辅助磨削脆-韧转换行为的理论研究，提出基于能量来预测临界未变形切屑厚度的新方法等，提出了半延展性磨削模型，也有研究在小磨屑厚度下，采用高砂轮线速度和最优粒度组合的超级磨料，来实现硬脆材料的高质高效加工。

　　这些新工艺的出现，为高端产品的开发提供了技术支持。开展工程陶瓷超精密磨削表面质量的研究，将为产品设计、最佳磨削工艺参数的选择提供科学依据。

　　以氧化锆陶瓷为研究对象，通过高速磨削仿真与实验，对比分析了工程陶瓷材料的去除机理及磨削参数对加工表面质量的影响。

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　　1 有限元仿真模型的建立

　　单颗磨粒磨削有限元模型。磨粒的几何形状是一个高13&mum，尖端半径15&mum，顶锥角120&deg的理想椎体，定义为刚体，采用3-结点应变-热耦合三角型单元。工件是160 &mum&times160&mum&times80&mum的长方体，细化后的工件网格尺寸为0.1&mum&times0.1&mum，采用4-结点应变-热耦合四边形有限元单元，采用降阶积分和二次计算精度，沙漏控制。基于单颗金刚石磨粒磨削氧化锆陶瓷时的材料特性及非线性行为，本文使用模型来建立氧化锆陶瓷的材料模型。

　　模拟中砂轮线速度取15～60m/s，仿真运动时，磨粒磨削方向为X轴负方向，磨削深度方向为Y轴负方向。

　　2 仿真结果与分析

　　在单颗磨粒磨削过程中，磨粒与工件接触并相对运动产生磨削力，磨削力对材料的去除方式有着直接的影响，并进一步决定工件表面质量。本文通过有限元仿真模型分析，研究了磨粒切削深度与切削速度对磨削力和磨削表面形貌的影响。

　　2.1 单颗磨粒磨削力仿真分析

　　不同磨削条件下单颗磨粒磨削仿真的法向力与切向力变化趋势图，法向力与切向力随着砂轮线速度的提高而减小。

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　　根据冲击动力学理论可知，高应变率下的材料变形是绝热的，在这过程中温度的热软化作用大于应变的强化作用，因此当砂轮线速度增加时，温度的热软化作用增强，工件对磨粒产生的变形抗力减小，从而使得磨削力减小。随着切削深度(p)的增加，法向力和切向力增大。这是因为切削深度(p)的增大，导致单位时间内材料去除量变大，磨粒负载增大，单颗磨粒磨削力随之增大，材料的去除方式开始由塑性去除向脆性去除转变，工件表面质量变差。

　　2.2 表面形貌仿真分析

　　不同切削深度和砂轮线速度下的磨削仿真形态在切削深度p=2&mum时，工件表面质量良好且砂轮线速度对表面形貌影响不大。此外，显示的应力值超过了氧化锆抗拉强度720MPa，发生了塑性变形。因此，材料去除以延性磨削为主。随着切削深度的增大，工件表面形成的划痕宽度逐渐增大(这与磨粒形状有关)，氧化锆陶瓷表面质量由开始的划痕较为平整光滑、划痕边缘较为规则均匀(ap=2&mum时)，逐渐变得划痕粗糙不平、划痕边缘参差不齐(ap=8&mum时)。这表明随着切削深度的增大，材料的去除方式逐渐由塑性去除向脆性去除转变。因此，切削深度(ap)是影响工件表面形貌的关键因素。当ap=4 &mum，砂轮线速度从30m/s提高到60m/s后，工件表面质量有所改善，划痕表面的凸起和凹坑减少，划痕边缘破碎减轻。表明随着切削深度的增大，砂轮线速度对工件表面形貌的影响也越大。

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　　3 实验结果与分析

　　3.1 实验设备与条件

　　实验采用精密平面成形磨床CNC对氧化锆陶瓷试件进行平面磨削。砂轮使用金刚石砂轮：树脂结合剂，浓度100%，D91(颗粒尺寸97/75&mum，磨粒平均直径86&mum)砂轮外径300mm，磨削面宽度20mm，磨削层厚度5mm。检测设备为三向平面测力仪，接触式粗糙度仪和冷场发射扫描电子显微镜。实际磨削参数的设置。

　　3.2 磨削参数对表面形貌影响研究

　　磨削表面形貌反映了材料的去除方式。氧化锆陶瓷工件在w=0.1m/s，ap=8&mum条件下，砂轮线速度15m/s和60m/s时的磨削表面形貌。可以看到，磨削表面有大量具有不同长度的连续和不连续的划痕，划痕间的隆起和由脆性断裂产生的凹坑。这些凹坑是由表面和亚表面裂纹自由传播到表面，与材料固有的缺陷相互连接，最终导致材料剥落。由于氧化锆陶瓷的硬脆特性，随着砂轮线速度的提高单颗磨粒的未变形磨削厚度减小，法向力也减小。观察到在砂轮速度60m/s时磨削表面凹坑的数量小于在砂轮速度15m/s时磨削表面凹坑的数量。此外，在氧化锆磨削过程中，当砂轮速度从15m/s增加到60m/s时可以看到脆塑转变。在vs=15m/s，在加工表面可以看到由微裂纹引发的断裂破碎和大颗粒脱落。

　　然而，提高砂轮速度到60m/s，磨痕变得均匀平整，可以清晰地观察到塑性变形的微观痕迹，侧面有明显的塑性隆起。由此可以确定，氧化锆陶瓷磨削过程中的脆性去除受砂轮线速度影响敏感，砂轮线速度的提高导致材料的应变率和磨削温度增大，进而提高氧化锆陶瓷材料的断裂韧性，有利于实现脆性材料的延性去除条件。

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　　3.3 磨削参数对表面粗糙度影响研究

　　表面粗糙度可以表征磨削加工过程中材料的去除方式表面粗糙度值随砂轮速度的提高而下降。对于脆性相对较高的高脆性陶瓷，如碳化硅和氧化锆，提高砂轮线速度可以改善表面粗糙度。虽然增加砂轮线速度将加强磨削系统的振动，从而导致在工件表面上留下振纹，但由于最大未变形磨削厚度降低，工件材料由低速脆性去除到高速塑性去除。因此，由于脆性剥落产生的凹坑可以得到改善。同时，观察到磨削力比显著下降，这里因为更小的磨削厚度进一步减小磨屑和磨粒前刀面的接触面积，导致摩擦下降随着砂轮速度和工件速度提高，材料去除率呈指数增长，但表面粗糙度没有增大，a从0.075&mum降低到0.04&mum。在关于高速行程磨削和高速磨削结合的可持续性研究上,发现了类似的现象。他们的实验结果表明，在粗加工范围内提高工件速度引起工件表面粗糙度增大是可以接受的，同时采用更高的砂轮线速度可以抵消提高工件进给速度带来的脆性效应。

　　综合比较表明，在砂轮速度15m/s，磨削速比为150，当切削深度从8&mum提高到10&mum时，Ra值增大了约为5%，表明切削深度对表面粗糙度影响不大。当砂轮速度保持在60m/s，磨削速比从150增大到600，Ra的值从0.057&mum降低至0.0354&mum。表面粗糙度值约为原来的62%，这表明相比切削深度，磨削速比对表面粗糙度的影响更大。

　　进一步说明当材料去除率保持恒定时，表面粗糙度随砂轮线速度的增加而减小。提高砂轮线速度的同时成比例地提高工件进给速度，可以改善工件表面粗糙度。这主要是因为最大未变形磨削厚度减小导致磨削力明显减少。

　　4 结束语

　　通过对单颗磨粒切削氧化锆陶瓷试件过程进行仿真，分析了磨粒切削深度与切削速度对磨削表面质量的影响，并对理论研究结果进行了实验验证。主要结论如下：

　　a.基于有限元分析磨削参数对工程陶瓷加工表面质量的影响是可行的。该仿真方法可以模拟不同加工条件下的磨削过程，为认识磨削参数对陶瓷加工表面质量的影响提供了方便而有效的途径。

　　b.随着切削深度的增大(2～8&mum)，单颗磨粒磨削力逐渐增大，工件磨削表面质量逐渐下降。当切削深度保持在2&mum时，砂轮线速度对工件表面形貌影响不大；当切削深度加大到4&mum以上时，提高砂轮线速度可以有效减轻磨削表面的破碎损伤。

　　c.在材料去除率恒定的条件下，提高砂轮线速度的同时同比提高工件进给速度，既能减小砂轮与工件的作用时间，又可显著减小最大未变形切屑厚度，进而提高氧化锆陶瓷的加工质量和加工效率。

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