不同类型工具对碳化硅陶瓷超声辅助磨削性能的影响
徐铭洲，丁凯，李奇林，王许，刘盛
江苏理工学院机械工程学院
碳化硅陶瓷材料具有高硬度、高强度及耐腐蚀等特点，被广泛应用于光学元件、国防军工及航空航天等领域[1，2]。目前常采用金刚石砂轮对碳化硅陶瓷进行磨削加工，但由于材料的硬脆特性，磨削过程中产生的磨削力大，导致工件表面和亚表面的损伤较大，磨削表面质量差，同时砂轮也会出现比较严重的磨损现象，造成生产效率低[3-5]。
超声辅助磨削是指在传统磨削的基础上对工具或工件施加超声振动的一种加工方式[6]。刘立飞等[7]采用金刚石砂轮对碳化硅陶瓷进行了普通磨削和超声辅助磨削试验，结果表明，与普通磨削相比，超声辅助磨削的材料破碎断裂情况得到改善，亚表面裂纹数量有较大幅度降低。Ding Kai等[8]采用烧结金刚石砂轮对碳化硅陶瓷进行了普通磨削和超声磨削试验，与普通磨削相比，超声磨削的磨削力和表面粗糙度均有不同程度的降低。Li Chen等[9]采用金属结合剂金刚石砂轮对碳化硅陶瓷进行了超声振动磨削和普通磨削试验，与普通磨削相比，超声振动有利于提高表面质量和减小亚表面损伤深度。Zheng Feifei等[10]采用金刚石压头对反应烧结碳化硅陶瓷进行了超声辅助划擦试验发现，与普通划擦相比，引入超声振动可使划擦力明显减小，材料去除效率更高。
工具特性是影响磨削加工性能的一个重要因素。杨海成等[11]采用两种结合剂的金刚石砂轮对蓝宝石进行了磨削试验，结果表明，树脂结合剂砂轮的加工表面质量优于金属结合剂砂轮。高尚等[12]采用四种粒度的陶瓷结合剂金刚石砂轮对石英玻璃进行了磨削试验，发现随着砂轮粒度的减小，石英玻璃磨削表面缺陷逐渐减少，表面粗糙度及亚表面损伤深度也逐渐减小。目前对于超声振动方式下不同类型工具的磨削性能研究较少，因此，本文采用电镀和钎焊两种方法制备的金刚石磨头对碳化硅陶瓷进行了超声辅助磨削试验，结合磨削力、工件表面形貌、工件表面粗糙度和磨头表面磨粒的出露特征，研究了不同的磨头制备工艺及磨粒粒径对超声辅助磨削性能的影响。
2.1 试验装置
在VMC850B型立式加工中心上进行超声辅助磨削试验，最大主轴转速为8000r/min。试验采用由南京航空航天大学研制的超声振动装置，该装置主要由超声波发生器、原边组件和超声刀柄三部分构成，原边组件固定在机床主轴上，通过信号传输线与超声波发生器相连。试验系统如图1所示，磨头通过弹簧夹头与螺帽安装在超声刀柄上，采用石蜡将试样粘结在底块上，再将底块固定在专用夹具上，夹具通过螺钉与测力仪相连。
图1 试验系统
2.2 试验条件
试验材料为碳化硅陶瓷，试样尺寸为50mm×10mm×6mm。其中磨削表面为50mm×6mm的平面，超声振动方向与磨削表面平行。磨削用冷却液为5%水基乳化液(Castrol 9954)，超声辅助磨削的试验参数如表1所示。
表1 试验参数
试验所用金刚石磨头如图2所示，采用电镀和钎焊两种工艺制备，磨粒粒径有150μm和75μm两种。其基体材料均为304不锈钢，总长度为50mm，磨头工作端直径为φ8mm，长度为10mm。试验前，采用三维视频显微镜在相同倍数条件下观察不同金刚石磨头表面地貌特征，并对磨粒的出露高度进行测量，测量结果如图3所示。
图2 金刚石磨头
(a)粒径150 μm的电镀磨头
可以看出，粒径为150μm的电镀磨头表面磨粒出露高度范围为53.198～119.258μm；
粒径为150μm的钎焊磨头表面磨粒出露高度范围为108.053～133.305μm；
粒径为75μm的电镀磨头表面磨粒出露高度范围为48.183～80.27μm；
粒径为75μm的钎焊磨头表面磨粒出露高度范围为63.6～79.451μm。
2.3 测量方法
采用Kistler 9129AA测力仪及电荷放大器对磨削力进行测量，并通过HRsoft_DW软件进行数据处理分析。采用ZEISS Sigma 500场发射扫描电子显微镜对试样加工表面形貌进行观察分析。采用Hirox RH-2000三维视频显微镜中的3D测量系统测量已加工试样表面的粗糙度值和磨头表面磨粒的出露高度，其中表面粗糙度的测量方向垂直于磨削进给方向，取五次测量平均值作为最终测量结果。
3.1 磨削力
图4为不同磨头超声辅助磨削时磨削力随主轴转速增大的变化规律。可以看出，随着主轴转速的增加，四种磨头超声辅助磨削的法向和切向磨削力均呈下降趋势。在相同的磨粒粒径和磨削用量条件下，使用钎焊金刚石磨头超声辅助磨削时的法向和切向磨削力均低于使用电镀金刚石磨头；
在相同的磨头制备工艺和磨削用量条件下，使用粒径为75μm的金刚石磨头超声辅助磨削时的法向和切向磨削力均高于使用粒径为150μm的金刚石磨头。
3.2 磨削表面形貌
图5为主轴转速n=7000r/min，进给速度vw=200mm/min，磨削深度ap=5μm的条件下不同磨头超声辅助磨削后的表面形貌。可以看出，粒径为150μm的电镀磨头超声辅助磨削后，工件表面破碎现象较为严重，存在明显的凹坑、磨痕和沟槽，表面高低起伏较大；
而粒径为150μm的钎焊磨头超声辅助磨削后，工件表面破碎现象有明显的改善，只存在一些细小的凹坑，表面较为平整；
粒径为75μm的电镀磨头超声辅助磨削后，工件表面存在破碎和凹坑现象，磨痕变细，沟槽变浅；
粒径为75μm的钎焊磨头超声辅助磨削后，工件表面平整均匀，破碎量少。
(a)法向磨削力
(a)粒径150μm电镀磨头磨削
分析得出，在相同的磨粒粒径和磨削用量条件下，相对于电镀金刚石磨头，钎焊金刚石磨头获得的工件表面破碎现象大大减少，磨削纹理和缺陷有明显改善。在相同的磨头制备工艺和磨削用量条件下，相对于粒径为150μm的金刚石磨头，75μm粒径的金刚石磨头获得的工件表面破碎现象减少，磨痕变细，表面更加平整，表面形貌得到改善。
3.3 磨削表面粗糙度
图6为不同磨头超声辅助磨削后工件表面粗糙度随主轴转速增大的变化规律。可以看出，随着主轴转速的增加，四种磨头超声辅助磨削的表面粗糙度值均呈下降趋势。在相同的磨粒粒径和磨削用量条件下，钎焊金刚石磨头获得的表面粗糙度值低于电镀金刚石磨头获得的表面粗糙度值；
在相同的磨头制备工艺和磨削用量条件下，粒径为75μm的金刚石磨头获得的表面粗糙度值低于粒径为150μm的金刚石磨头获得的表面粗糙度值。当主轴转速n=7000r/min，进给速度vw=200mm/min，磨削深度ap=5μm时，粒径150μm电镀磨头、粒径150μm钎焊磨头、粒径75μm电镀磨头和粒径75μm钎焊磨头超声辅助磨削的表面粗糙度Ra分别为1.217μm，0.917μm，0.833μm，0.767μm。
图6 不同磨头超声辅助磨削表面粗糙度值对比
3.4 分析讨论
试验中不同金刚石磨头表面磨粒的出露高度测量数据表明，电镀金刚石磨头表面的磨粒存在出露高度较低和高度差较大的问题。磨粒不能有效和充分地参与磨削，导致超声辅助磨削过程中产生较大的磨削力，磨削表面易产生材料破碎和沟槽现象，因而获得的表面质量较差。而钎焊金刚石磨头表面磨粒的出露高度较高，高度的一致性较好，与相同粒径的电镀金刚石磨头相比，磨粒与加工表面的接触面积增大，超声振动条件下磨粒更能有效充分的参与磨削，因而可以有效降低磨削力，获得更好的表面质量，出露高度更有利于超声振动作用的发挥。
对于相同工艺制备的磨头，与粒径为150μm的金刚石磨头相比，由于金刚石磨粒的密度高，切削刃多，超声振动条件下磨粒的磨削轨迹更加密集，粒径为75μm的金刚石磨头易获得平整的表面，表面质量较好。但由于相邻磨粒间隔较小，容屑空间小，磨削过程中磨屑容易在磨头表面堆积，一定程度上增大了材料去除的难度，导致磨削力增大，对超声振动作用也会产生不利影响。
(1)在相同的磨粒粒径和磨削用量条件下，相对于电镀金刚石磨头，钎焊金刚石磨头超声辅助磨削可以得到较低的磨削力和表面粗糙度值，磨削表面破碎现象和纹理改善显著。
(2)电镀金刚石磨头表面的磨粒存在出露高度较低和高度差较大的问题；
而钎焊金刚石磨头表面磨粒的出露高度较高，高度的一致性较好，更有利于超声振动作用。
(3)在相同的磨头制备工艺和磨削用量条件下，相对于粒径为150μm的金刚石磨头，粒径为75μm的金刚石磨头超声辅助磨削可以获得较好的表面形貌和较低的表面粗糙度，但其磨削力有所增大。
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