多频率超声磨削工程陶瓷表面残余应力特征研究

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表面应力状态是影响零件断裂韧性及强度的关键因素，陶瓷零件磨削后出现的表面亚表面裂纹与磨削产生的残余应力关系密切，这对于精密陶瓷零件而言，磨削表面残余应力的大孝性质及其分布情况严重影响着零件的可靠性及强度 。

目前 ，在超声辅助磨削研究方 面，大多都集 中于20 kHz超声磨削时硬脆材料的磨削特性，对多频率超声激励下工程陶瓷磨削表面残余应力分布特收稿日期：2012-08-08基金项 目：国家自然科学基金资助项目(50975080)。

作者简介：赵明利(1975-)，女，河南温县人，博士，讲师，主要从事精密超精密加工及其表面技术研究E.mail：zhaomingli### hpu.edu.CII第 2期 赵明利，等：多频率超声磨削工程陶瓷表面残余应力特征研究 171征的研究则较为少见.本文着重研究多频率超声激励下，对工程陶瓷进行精密加工时工程陶瓷磨削表面的残余应力特征，分析影响残余应力特征的因素，揭示超声频率对工程陶瓷磨削表面残余应力的影响规律.该研究将有 益于预测和控制 陶瓷零件磨削表面的质量。

1 残余应力试验方法残余应力测试方法主要有无损测试法和有损测试法 .由于陶瓷材料具有硬脆特性，不宜使用有损测试方法进行检测，因此 ，试验 中采用无损检测法中的 x射线衍射法对陶瓷表面残余应力进行检测.该方法所需测量时问较长 ，但易操作。

用 x射线衍射仪对残余应力进行测试需 3个步骤：通过衍射仪对试件在大角度范围内进行扫描，找出衍射峰，从而确定进行应力测量的晶面和峰位；以测定点为中心进行局部扫描，随着载物台的旋转，在4个不同的 角处扫描，其中 角为产生衍射的晶面法线与材料表面法线之问的夹角 .在试验 中， 角分别取 0。，15。，3O。，45。，载物台做 180。旋转 ，并在 4个 角处再次扫描.图 1为对其中1个试件进行残余应力测试时，x射线衍射仪在0。和 180。位置处获得的衍射图谱以及不同 角处的应变值.根据扫描结果，计算出所测表面的残余应力值。

201。 201Strain Distribution Phi：0 Strain Distribution Phi：l80(a) 衍射图谱0 01 0 2 O 3 0 4 0 5 u ul u Uj u q Un 2a ) sin2(Psi)AIlCurves Phi：0 A11Curves Phi：180(b) 应变情况图 1残余应力测试Fig.1 Residual stress measurement2 残余应力试验结果与分析2.1 多频率超声激励对表面残余应力的影响(1)试验条件.纳米氧化锆 陶瓷试件 ，磨削深度 10 m，270号金刚石砂轮，水基磨削液，单行程磨削方式，分别在 20，35，45，60 kHz频率下进行超声振动辅助磨削试验.图2为不同的超声激励方式进行辅助磨削后，试件表面的残余应力分布情况。

替皇 宝 宝 宝蜀 昌 8n r九1P --TrE r-111 口- TTE r-111 口--TT --11 c -- 1r室旧-97. 1. 107图 2超声激励对残余应力的影响Fig.2 Efect of ultrasonic vibration on residual stress(2)从图 2中纳米氧化锆陶瓷超声辅助磨削表面的残余应力分布情况可得 出，超声激励方式对残余应力特征的影响主要有 2个方面，且其产生原因分析如下。

首先 ，对于不同的超声激励方式 ，纳米氧化锆陶瓷磨削表面的残余应力都表现为压应力；砂轮主切削方向( 方向)的残余应力( )小于砂轮轴向(y方向)的残余应力(or ).分析其原因，是由于采用水基磨削液对磨削过程进行冷却，磨削液吸收了大量的磨削热，因此，由磨削热产生残余拉应力的可能性大幅减小.另外 ，由于磨削应力的作用，试件表 面出现 了-定 塑性 变形层 ，材料在 y方向上产生了较明显 的塑性变形 ，因而 y方向为主应力方向.又 由于磨粒对试件表面 的挤压作用使得在 方 向产生-定 的拉应力 ，从而使-部分残余压应力抵消，因此，or 比or 大得多。

其次，超声激励下磨削表面残余压应力相对较大，频率相同时，-维超声磨削表面残余压应力小于二维超声磨削.无超声磨削获得的表面残余应力较小，在频率为 60 kHz超声磨削时，残余压应 力与无 超声磨 削 时并无 明显差别 ；在 频率为35 kHz二维超声辅助磨削时，获得的表面残余压应力最大.究其原因，是由于在超声激励下磨粒的高频振动使得未变形切屑厚度变小，从而提高了- - l目 .0 悯加 ∞ ∞ 鲫∞ 加 ∞ ∞舳-葛 0 巧 0 口s --172 河南理工大学学报(自然科学版) 2013年第 32卷材料塑性去除 的比例.此外 ，由于超声激励的作用 ，磨粒在去除材料的同时，对试件表面施 以反复熨压，从而使得压应力在磨削表面形成.文献[6]研究发现，超声激励的方式不同，试件质点的运动方式也不同，-维超声激励时试件质点产生简谐振动，而二维超声激励可使质点产生螺旋式振动，该螺旋式振动使得磨粒在切除材料的同时，在试件表面施以反复研磨作用，并且研磨作用随着振动频率的增大而增强，从而促使磨削表面产生残余压应力.文献[6]对陶瓷表面及亚表面损伤试验表明，当超声激励频率大于 35 kHz时，材料损伤 的程度随着频率增大而加剧 ，材料破碎损伤会释放-部分残余应力.因此，尽管超声频率增高使磨粒在磨削过程中的碾压作用增强，但残余应力没有表现出单向增长的变化趋势，在 35 kHz频率附近磨削表面残余应力出现了最大值。

另外，氧化锆陶瓷在磨削过程中极易发生马氏体相变，该相变可使材料发生 3% ～5%的体积膨胀，从而在磨削表面形成较大的残余压应力；同时，材料体积膨胀可对 临近裂纹产生-定 的压应力 ，使裂纹在扩展过程中受到阻碍 ，并且组织转变可消耗部分外加应力 ，裂纹尖端处的应力强度 因子降低，因而由于能量消耗使裂纹的驱动力减弱从而终止扩展，使材料的断裂韧性得到提高.在超声辅助磨削过程中，由于超声激励的作用，磨粒对材料产生巨大的瞬时脉冲力.该力可促使氧化锆陶瓷发生马氏体相变，而无超声磨削过程对氧化锆陶瓷的马氏体相变影响较弱 .所以，在相同条件下，超声磨削获得的氧化锆陶瓷表面残余压应力值较大。

2.2 砂轮粒径对残余应力特征的影响砂轮粒径是磨削加工过程 的重要参数之- ，它不仅对试件磨削表 面的微观形貌特 征产生影响，而且对磨削表面残余应力的性质及大小也会产生-定的影响.试验条件：ZTA陶瓷、纳米氧化锆 陶瓷试件 ，270号 、W20的金 刚石砂轮 ，二维超声激励辅助磨削，超声频率35 kHz，10 m磨削深度.图3为试验后获得的2种陶瓷表面的残余应力分布特征。

图3所示试验结果表明，试验中磨削表面的残余应力均呈压应力，并且 方向的残余应力值小于 y方向的残余应力值.对于ZTA陶瓷和纳米氧化锆 2种陶瓷试件，均呈现出砂轮粒度越细，磨削后获得的表面应力越小的特点，超声激励下获得的磨削表面残余压应力比无超声磨削时表面残余压应力大.分析上述现象产生的原因主要有以下 3个方面。

鼷恒懈砂轮标号w20 270号图 3砂轮粒径和试件材料对残余应力的影响Fig.3 Efect of grit size and materialS mechanicalproperty Oil residual stress(1)超声激励下磨削过程具有 4个明显特点：超声波产生的高频振动促使氧化锆颗粒产生马氏体相变" ；磨削过程 的超高频振动使磨削系统能够有效散热；超声激励下磨粒在切除材料 时可实现-次切削 多次研磨 ”；在试 验 中，对 比磨削表面微观形芒现，超声激励下 ，材料延性域去除的可能性有所提高.因此，超声激励下试件表面的残余压应力较大。

(2)磨粒越粗，单位面积上的有效磨粒越少，对单颗磨粒而言，其法向的磨削力则越大，磨粒更容易切人材料 ，提高 了材料延性去除层的厚度；磨粒越小，在磨削时有效磨粒数相应越多，单个磨粒上仅平均到较小 的磨削力.在切削硬脆材料时，磨粒很难切入，使得试件表面与磨粒之间产生强烈摩擦，磨削热急剧增加，从而促使残余拉应力产生(该拉应力将抵消掉-部分残余压应力).因此，试验 中砂轮粒度越 细，磨 削后获得的表面压应力值越小。

(3)磨粒越粗，磨粒间的孔隙则越大，便于磨削热 的扩散 ；反之，磨粒粒径越细，越不利于磨削热的有效扩散，从而使磨削区温度急剧升高，进而引起表面残余拉应力增大.因此 ，用 270号金刚石砂轮磨削获得 的试件表面存在较大的压应力。

事实上，尽管砂轮磨粒粒径越大，磨削后试件表面的残余压应力越大，但是过粗的磨粒则会引发磨削过程 中陶瓷材料的严重破碎 ，零件 的机械力学性能下降，甚至使零件报废.因此，在磨削过程中，要经济合理地选择砂轮粒度。

加 们 ∞ 舳 ∞ 加 ∞第 2期 赵明利，等 ：多频率超声磨削工程陶瓷表面残余应力特征研究 1732.3 工程陶瓷材料性能对残余应力特征的影响从图3可以看出，磨削参数相同的条件下，ZTA陶瓷较之纳米氧化锆陶瓷磨削后其表面的残余压应力值较小，分析其原因主要有2点。

(1)ZTA陶瓷与纳米氧化锆陶瓷相比，其断裂韧 性较低 、结 构较疏松 ，磨 粒易于切人材料基体，所需磨削力较小，因此，磨削表面层的残余应力值较小。

(2)文献 [6]的物相分析表 明，ZTA陶瓷所含氧化锆四方相 比例 明显小于纳米氧化锆 陶瓷.在磨削过程中，纳米氧化锆陶瓷发生马氏体相变几率较高，马氏体相变还可引发表面层产生残余压应力。

3 结 语试件表面的残余应力特征受多因素的综合作用，如磨削热、磨粒对试件材料的机械作用力、磨削过程引发的相变等.磨削热促使残余 拉应力 的产生；磨粒对试件表面的机械作用促使机械应力产生；氧化锆颗粒的马氏体相变引发残余压应力的产生.占优势的因素将决定磨削表面残余应力特征，残余压应力可在-定程度上使试件表面的微裂纹得到闭合，而残余拉应力则易引发表面亚表面裂纹.因此，在磨削过程中，依据各参数对残余应力特征的影响，经济合理的选择磨削参数对控制磨削表面残余应力的特征，对提高零件的使用性能将大有裨益。