切向超声辅助氧化锆陶瓷镜面磨削的实验研究外文翻译资料

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译文

切向超声辅助氧化锆陶瓷镜面磨削的实验研究

乔建平，吴永波，李思思和王友良

1 哈尔滨工业大学机电一体化工程学院，黑龙江哈尔滨 150001, 中国

2 南方科技大学机械与能源工程系，广东深圳518055，中国

3 兰州理工大学机械与电子工程学院，兰州 730050，中国

关键词：氧化锆陶瓷，超声研磨，表面粗糙度

摘要：本文建立了一个实验装置，在数控机床上安装了一个超声振动轴，以进行切向超声辅助镜面磨削（TUAMG）。镜面研磨（TUAMG），使用树脂结合剂的金刚石砂轮对氧化锆陶瓷进行切向超声波辅助研磨磨削砂轮。实验研究了超声波对工件表面质量和砂轮磨损的影响，具体表现在工件表面的粗糙度和形态以及砂轮的工作面状况。结果表明，氧化锆陶瓷的镜面可以通过 TUAMG与砂轮的轴向往复运动相结合，可以实现氧化锆陶瓷的镜面加工。实验结果显示工件的表面粗糙度达到Ra 7.5 nm。实验阐明了超声波振幅对表面粗糙度的影响。

1.简介

氧化锆陶瓷是典型的难加工材料。其优越的机械性能 高强度、高硬度、强耐磨性和钢化后的韧性等优越的机械性能，使其在能源、化工、制药等领域的应用前景日益广阔。它的韧性，使其在能源、航空航天、计算机、医疗等领域越来越显示出广阔的应用前景。航空航天、计算机、医疗等领域[1-5]。经过不断的发展 经过不断的发展和探索，目前有许多方法可用于氧化锆陶瓷部件的精密加工，如研磨、超声等。陶瓷元件的精密加工，如研磨、超声波加工[6]、水/磨料 混乱液体喷射加工（WJM/WJAM），抛光，放电加工 (EDM)、激光加工。在这些加工过程中，氧化锆陶瓷由于其优越的机械性能[7]，往往成为最难加工的材料。在这些方法中，金刚石砂轮磨削在效率和质量上都比其他方法更有优势。然而，由于磨料工具的严重和快速磨损，氧化锆陶瓷的研磨过程仍然是昂贵的。

沈建英提出了延性域磨削技术来控制陶瓷磨削的表面裂纹和其他缺陷[8]。郑建新[9]从磨削工艺、磨削效果等方面分析了陶瓷延性域磨削的可行性，从磨削工艺、磨料加工过程中的有效材料去除率、临界磨削深度、材料的特性和材料的失效模式等方面分析了陶瓷韧性域磨削的可行性。对材料的性能和材料的失效模式构建了一些典型的基于压痕断裂力学的陶瓷延性域磨削数学模型。对陶瓷延展性领域的超声研磨机制进行了理论讨论。比法诺[10]和谷[11]研究了陶瓷的延性域研磨问题。康国伟等人[12]应用铸铁粘结金刚石磨轮和电解加工修整(ELID)磨削技术来有效地进行表面磨削。结果表明，在相同的磨削条件下 ，ELID的磨削力约为传统磨削的2/5~3/5。这表明，使用ELID磨削技术可以提高加工效率，并保持砂轮的锋利度。封宜兴等人[13]研究了用水磨加工氧化铝陶瓷的表面质量，探讨了磨料水射流切割中的陶瓷缺口结构，并分析了工艺参数对工件表面质量的影响。磨料水射流主要用于陶瓷材料的切割和微加工和陶瓷材料的微细铣削。李海峰[14]研究了工程陶瓷的电火花加工技术的原理和特点，并对相应的复合加工技术进行了一些研究。尽管上述方法可以实现精密磨削，但它们需要在特定的环境或条件下实现。此外，还存在着效率问题，这是很难改善的。因此，这些方法不容易在生产中得到推广，而需要一种更高效、更适应的加工方法。

作为一种有前途的加工技术，超声辅助磨削几十年来一直受到人们的高度关注。由于其出色的特点，如磨削力小、材料去除率高、表面质量好、砂轮工作寿命长、磨削发热低等优良特性，几十年来一直受到人们的关注。与传统磨削（CG）相比，它具有更小的磨削力、更高的材料去除率、更好的表面质量、更长的砂轮工作寿命和更低的磨削发热等优良特性。通过实验验证的可行性研究验证了其可降低切向超声振动辅助磨削力和表面粗糙度，延长砂轮的使用寿命，大大提高生产效率，降低生产成本，这是一种非常有竞争力的加工方法。

2.加工原理和实验细节

实验示意图如图1所示，它展示了所提出的TUAMG方法的加工原理。磨削轮在其自身轴线上进行超声振动（频率为fnof;，振幅为A）。以磨削速度Vg顺时针旋转，并沿工件表面进给。磨削速度为Vg，并以Vfnof;的进给率沿工件表面进给。可以推算出，磨料的超声振动方向是与工件表面相切或与切削速度垂直，从而更容易获得镜面效果。因此称为切向超声辅助镜面磨削。此外。砂轮沿其轴线往复摆动（在目前的工作中，冲程 = 0.5毫米，速度=40毫米/分钟）。砂轮的磨料轨迹是由这两个阶段和从这三个方向的运动中合成的，如图所示。

图1. TUAMG方法的原理

为了实现TUAMG的加工原理，我们建造了一个实验装置，安装了一个商业化的超声波芯轴（武顺有限公司的UB40-C5-BT40），它能够以40 kHz的频率和最高峰的振幅进行振动，峰值振幅高达9微米，并安装在一个商用数控加工中心的垂直轴上(哈丁机械有限公司生产的GX1000Plus)，如图2所示。在超声心轴单元的下端，一个直径为6毫米的树脂粘合金刚石砂轮被拧紧。磨削液喷嘴被用来将冷却液以一定的流量供应到磨削区。在数控机床的工作台上，将尺寸为长15times;宽10times;高8毫米的氧化锆陶瓷样品通过一个6元件测力计(9254由基斯特勒有限公司提供)和一个工件夹持器。氧化锆陶瓷的实际TUAMG操作是在以下情况下进行的加工参数如表1所示。

图2. 实验装置的主要部分

表1 实验条件

3.实验结果和讨论

3.1工作表面质量

首先，进行了TUAMG测试，以比较有/无超声波的工作表面粗糙度。磨削后，用SEM（日立TM4000plus）和激光显微镜观察氧化锆陶瓷试样的工作表面。用(Keyence VK-X1000)观察，并提取和比较了二维和三维表面形态。图3(a)和(b)分别显示了由传统的无超声研磨方法和TUAMG方法得到的工件表面的SEM图像。很明显，在没有超声平行的工作表面上，磨料切割痕迹分布明显，表面粗糙度达到Ra83nm，而使用超声波的工件表面变得相当光滑，几乎看不到切削痕迹，工件表面的粗糙度明显下降到Ra7.5nm。这表明在切向超声振动的帮助下，表面粗糙度Ra可以提高约90%。如图所示，在没有超声的情况下和在超声的情况下，对工作表面的三维显微图像进行了比较。图3(c)和(d)分别显示了没有超声的工作面和有超声的工作面的三维显微图像，可以看出在无超声波时，整个平面呈现“脊”和“谷”结构，而一旦在磨削过程中施加了切向超声振动，整个平面变得非常平整。

(a)无超声Ra83nm (b)有超声Ra7.5nm

(c)无超声 (d) 有超声波

图3有超声波和无超声波的工作表面质量

为了阐明超声波振动强度对工作表面质量的影响，如图4所示，在不同的振动幅度Ap-p值下，获得了研磨的工作表面的三维显微图像。从图中可以看出，表面质量随着超声振动振幅的增加而逐渐提高。当振动振幅幅度为2.8mu;m时，陶瓷样品的加工表面与传统的无超声研磨得到的表面相似。震动幅度为2.8微米时，陶瓷样品的加工表面与传统的无超声研磨得到的表面相似，呈现出 '脊 '和 '谷 '的结构。当振动幅度增加到9micro;m时，样品的表面质量趋向于平坦。

(a)振幅2.8micro;m (b) 振幅5.8micro;m

(a) 振幅8.1micro;m (b) 振幅9micro;m

图4不同超声振动振幅下获得的工作表面三维形貌的比较

为了讨论TUAMG的材料去除机制，SEM观察了加工表面的地形特征。图5是TUAMG在Ap-p=9微米时获得的工作表面的SEM图像。很明显，在工作面上有很多正弦曲线状的磨料切割痕迹，这些痕迹是由延展性制度下的磨料颗粒的切割作用产生的，没有脆性断裂。这一结果 表明TUAMG方法可以获得镜像表面，因为在拟议的TUAMG工艺中，工件材料是在延性状态下去除的。

图5工作面的SEM图像

3.2砂轮磨损

在实验中，采用了树脂结合剂的金刚石砂轮（SD4000125MSH）。用光学显微镜观察砂轮在无超声和TUAMG情况下的工作表面，并进行比较，以研究砂轮的磨损行为。图6(a)和(b)分别显示了未使用和使用超声波的砂轮工作面的典型三维显微图像。从图中可以看出，在没有超声的传统磨削条件下，磨粒的脱落比较明显(图6(a)）；而在超声波辅助条件下（图6(b)），磨粒脱落较少。为了揭示TUAMG比传统磨削的磨粒脱落少的原因，对磨削力进行了测量和比较。

(c)无超声 (d) 有超声波

图6砂轮的磨料磨损

3.3磨削力

图7显示了三个方向上的磨削力随超声波振幅的增加而变化，其中超声波振幅为零时，表示无超声波的常规磨削。从图中可以看出，切向和法向磨削力Ft和Fn都随着超声波振幅的增加而减小，直到Ap-p=4micro;m。此后，可以观察到力的变化不大；但是，在有超声波的TUAMG中，切向力Ft比无超声波的传统磨削时下降了30%。同时，可以观察到轴向磨削力Fz的变化非常小。事实上，Fn在切向超声辅助磨削过程中对材料的去除起着主要作用，并有助于减少砂轮的磨损，使之更容易达到镜面加工表面。

图7磨削力与超声振幅的对比

3.4结论

提出了一种用于氧化锆陶瓷镜面研磨的切向超声波辅助镜面研磨工艺,获得的结果可以得出以下结论。

(1)TUAMG的工件表面粗糙度达到Ra 7.5nm，比传统磨削的Ra 83nm小90%。也就是说，TUAMG可以轻松实现镜面加工。同时,随着超声波振幅的增加，工件表面的粗糙度也随之降低。

(2)超声振动的辅助可以减少砂轮的脱落，因此，在超声的辅助下，砂轮的使用寿命可以延长。

(3)法向和切向磨削力随超声振幅的增加而减小。幅度小于4mu;m时，法向和切向磨削力随超声振幅的增加而减小，此后则变化很小。与不使用超声波的传统磨削相比，TUAMG的磨削力下降了30%。

4.鸣谢

这项工作得到了深圳市高层次人才创新创业基金的资助。

创业基金（批准号：KQTD20170810110250357）、深圳市知识创新计划（批准号：JCYJ20180504165815601）和深圳市知识管理中心（批准号：JCYJ20180504165815601）。

知识创新计划（批准号：JCYJ20180504165815601）和深圳国际合作项目（批准号：GJHZ20180411143558312）。

参考文献

【1】Ding W.F., Dai C.W., Yu T.Y., Xu J.H., Fu Y.C. (2017) lsquo;Grinding performance of textured monolayer cbn wheels: undeformed chip thickness nonuniformity modeling and ground surface topography predictionrsquo;, Int J Mach Tools Manuf, Vol.122, pp.66–80.

【2】Zhao B, Tianyu Y.U., Ding W.F., Li X.Y. (2017) lsquo;Effects of pore structure and distribution on strength of porous Cu-Sn-Ti alumina compositesrsquo;, Chin J Aeronaut, Vol.30, No.6, pp.2004–2015.

【3】Liu C.J., Ding W.F., Yu T.Y., Yang C.Y. (2017) lsquo;Materials r

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