摘要：为了解决氧化铝陶瓷加工难的问题，采用纵扭超声振动辅助钻削方法对其进行实验研究。将普通的钻削机床进行改装，增添超声振动机构，在机床上改变主轴转速和超声振幅，对氧化铝陶瓷材料进行加工。通过分析不同参数条件下陶瓷工件形貌和刀具磨损程度，同时结合有限元仿真，证实纵扭超声振动辅助钻削的可行性和优势。结果表明：与普通钻削相比，纵扭超声振动辅助钻削下的氧化铝陶瓷材料具有更好的表面形貌，加工的孔有更低的表面粗糙度；随着振幅的增大，刀具的磨损程度也得到明显降低，但并不是振幅越大越好，当振幅过大时，刀具磨损程度又在加剧；纵扭超声振动辅助钻削不适合在高主轴转速下进行，在转速过高时工件极易破裂，很难完成加工。总之，在工艺参数选择得当的情况下，纵扭超声振动辅助钻削可以实现对氧化铝陶瓷的优质加工。

　　关键词：氧化铝陶瓷；超声钻削；表面形貌；刀具磨损

　　0引言

　　氧化铝（Al2O3）陶瓷是应用广泛、原料丰富且价格低的高温结构陶瓷[1]。具有高强度、耐高温、绝缘性能好、密度低等优异的物理机械性能和生物相容性，是非常成熟的高熔点氧化物陶瓷。已广泛应用于电气工程、机械工程、医学等领域，在电子方面有各种Al2O3陶瓷底板、基片；在机械领域，氧化铝陶瓷经常被用于制作刀具、陶瓷轴承等零部件[2]；医学方面医用氧化铝陶瓷制品在矫正外科中，可以作为骨组织的替代物来帮助矫正。还可以做人工的关节或者是Al2O3人工骨。目前，钻削是加工陶瓷的主要方式之一，然而由于其脆性和硬度，它已成为典型的难加工材料，制约了它的进一步发展。为了满足工业对发展高效率、高精度、更好的表面质量和低成本的加工技术的迫切需求，科学家们开发了许多先进的加工方法。

　　作为一种典型的特种加工技术，超声振动辅助加工在难加工材料领域得到了广泛应用[3]。Li等[4]通过纵扭超声铣磨氧化锆陶瓷实验研究得出，纵扭复合超声振动加工的磨削力都要小于普通铣磨加工。Wang等[5]将超声加工技术运用到了圆盘刀具切割Nomex蜂窝芯加工中，结果表明超声振动能有效减少细胞壁的撕裂，提高加工质量。Wang等[6]对椭圆超声振动辅助加工CFRP复合材料的表面进行研究，发现与传统的表面磨削工艺相比，超声振动辅助加工对碳纤维增强塑料（CFRP）复合材料进行表面加工产生较小的切削力，因而加工性能得到改善。Wang等[7]通过超声振动辅助阶梯钻钻削铬镍铁合金718的切屑机理研究，结果表明超声辅助钻削的加工温度更低，切屑破碎性能更好。Lu等[8]基于运动学分析超声纵扭振动钻孔切削力模型，通过最终复合材料的实验表明，模型与实际相符合，超声纵扭振动辅助加工比传统加工方式具有更低的钻削力和更好的性能。超声振动辅助加工相对于传统加工，有着减少刀具磨损、降低切削力、减少加工工件残余应力等优点。

　　关于陶瓷材料的超声加工，Yan等[9]对Si3N4陶瓷纵扭超声磨削表面残余应力进行了研究，实验结果表明纵扭超声磨削后Si3N4陶瓷的表面残余压应力在一定程度上抑制了微裂纹的产生与扩展，提高了零件的使用性能。Qiu等[10]通过二维超声振动磨削氧化锆陶瓷表面形貌及粗糙度试验研究发现，在合适的加工参数下，超声振动磨削能有效降低工件表面粗糙度。Dong等[11]根据SiC陶瓷宏观力学本构模型，建立SiC陶瓷制孔仿真有限元模型并进行加工过程仿真分析，相比常规制孔，超声振动制孔的仿真轴向力最大可减小26.1%。Cao等建立了内圆超声加工SiC陶瓷时的切削力理论预测模型，并与传统内圆加工进行对比，结果证明内圆超声加工的切削力小于传统内圆加工。Yang等[12]通过对纵－扭超声磨削氧化锆陶瓷的磨削力进行仿真分析，发现超声振动的施加能够有效改善材料表面的应力、应变集中情况。在陶瓷材料种类的选择上，多是集中在对SiC陶瓷或其他氧化物陶瓷，很少有针对氧化铝陶瓷材料的研究。

　　因此，本文拟用纵扭超声振动辅助加工技术结合钻削加工方法对氧化铝陶瓷材料进行钻削加工，解决陶瓷材料加工质量差、表面出现崩边和裂纹等问题[13]，以实现对氧化铝陶瓷高效率、高精度、高品质、低成本的优质加工。

　　1纵扭复合超声振动的形成原理

　　相比于传统的钻削方式，在纵扭超声振动辅助钻削中，钻头的旋转方向和进给方向上分别叠加一个高频、低振幅的超声振动，如图1所示，描绘了纵扭复合超声振动的基本运动模型，其中v是进给速度，n为主轴转速。

　　假设刀具的轴向为Z轴，刀具的进给方向为负向，在传统加工条件下，此时Z轴上某一点的运动轨迹可以表达为：

　　Z 1(t)=-vt（1）式中：v为刀具的进给速度；t为时间。

　　在施加超声振动后，原本匀速直线运动的刀具轨迹，叠加了一个上下周期性变化的三角函数，此时Z轴上某一点的运动轨迹可以表示为：

　　4结束语

　　通过对氧化铝陶瓷材料不同参数的钻削实验，探究了材料钻削后的表面形貌，分析了切削缺陷以及刀具磨损状况，得出结论如下。

　　（1）通过观察不同振幅条件下，金刚砂钻头切削面的表面形貌，发现普通钻削的钻头不论是正切削面还是侧切削面的磨损程度都要比超声条件下更为严重。超声振动辅助钻削时，随着超声振幅的逐步增大，刀具切削表面磨损状况逐渐减少，平整度越来越好，但并不是振幅越大越好，当振幅过大时，随着振幅增大，刀具表面磨损越来越严重。其中，在振幅5.2μm时，正切削面形貌最好；在振幅为3.2μm时，侧切削面形貌最佳。

　　（2）Ra值随着主轴转速的增大而增大，同时在不同的主轴转速下，合适的超声振幅对加工孔内的粗糙度（Ra）都有明显的降低，其中振幅为3.2μm时，加工出来的孔内质量较好，粗糙度保持相对稳定。

　　（3）纵扭超声振动辅助钻削氧化铝陶瓷适合在中低主轴转速下进行，特别是在转速为1 350 r/min的时候，加工的工件形貌要明显优于传统加工。而高主轴转速条件下，施加超声振动并不能提高加工质量，在主轴转速2 700 r/min时，施加超声振动发生了工件破裂的情况。

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