超声振动辅助磨削难加工材料（如陶瓷）的工艺机理与实验验证

一、超声振动辅助磨削的工艺机理

（一）基本原理与运动学特征

传统磨削中，磨粒以恒定速度（vs，砂轮线速度，通常 30-60m/s. ）沿工件表面连续切削，磨粒与工件的接触时间较长（毫秒级），形成连续的切削力与摩擦热。而 UVAG 中，砂轮（或工件）在原有运动基础上叠加超声振动（频率 f=20kHz ，振幅 A=10-30μm, ），磨粒的运动轨迹变为周期性变化的螺旋线或直线（取决于振动方向）。其运动学特征可分解为：

主运动：砂轮旋转（vs）与工件进给（vw）；

辅助运动：沿磨削方向（Z 轴）的正弦振动 x(t)=Asin(2πft), 。

由此，磨粒与工件的单颗磨粒接触时间从传统磨削的Δt0 缩短至Δt=Δt0/(1+vvib/vs) )（vvib 为振动线速度，约 2πfA. ），通常降低一个数量级（从毫秒级至微秒级），显著减少了单颗磨粒的持续作用时间。

（二）材料去除机制的转变

传统磨削中，脆性材料（如陶瓷）的材料去除主要依赖“脆性断裂”，即磨粒尖端产生的拉应力超过材料的断裂强度（如氧化铝的断裂韧性KIC≈3−5MPa\cdotpm1/2），形成锥形裂纹、径向裂纹及亚表面分层损伤。而UVAG 中，超声振动的引入改变了应力状态与能量输入方式：

冲击-疲劳效应：高频振动使磨粒以脉冲形式冲击工件表面，每次接触的法向力峰值虽与传统磨削相近，但作用时间极短（微秒级），局部应力场呈现动态加载特征。根据赫兹接触理论，短时冲击下的最大接触应力σmax与加载时间 t 成反比（ σσσσσ∞1/t) ），导致材料更易通过“微裂纹萌生-扩展-剥落”的循环疲劳过程去除，而非一次性大范围断裂。

滑擦-耕犁占比提升：振动使磨粒与工件的接触并非持续挤压，而是在部分周期内表现为“滑擦”（磨粒在表面滑动摩擦）或“耕犁”（磨粒挤压材料形成塑性隆起）。对于脆性材料，当振动振幅足够大（如 A>10μm, ）时，滑擦作用可抑制裂纹的快速扩展，促使材料通过塑性变形与微小碎片剥落的方式去除，从而减少宏观裂纹的产生。

能量分配优化：超声振动的机械能部分转化为磨粒的动能（冲击能量），而非全部转化为摩擦热。实验表明，UVAG 的磨削区平均温度比传统磨削降低 30%-50% （如氮化硅磨削时，UVAG 的峰值温度从 800^∘C 降至 400^∘C 以下），有效避免了热损伤（如相变、氧化）。

（三）关键工艺参数的影响规律

振幅（A）：振幅是决定材料去除模式的关键参数。当A 较小时（ '<5μm' ），振动效应不明显，加工效果接近传统磨削；当A 增大至 10-30μm 时，冲击作用显著增强，磨削力下降，表面粗糙度降低；但若 A 过大（ ），可能导致磨粒与工件的碰撞过于剧烈，反而引发新的脆性裂纹。

频率（f）：频率影响磨粒的冲击频率与接触间隔。通常选择 20–40kHz （与工业超声设备的常用频段匹配），过高频率可能导致能量分散（单次冲击能量不足），过低频率则无法有效缩短接触时间。

二、实验验证：以氧化铝陶瓷为例

（一）实验方案设计

选用常压烧结氧化铝陶瓷（ ₂ O₃ ，密度 3.9g/cm³ ，硬度 HV18GPa ，断裂韧性 KIC≈4MPa\cdotpm1/2）作为研究对象，对比传统磨削（CG）与超声振动辅助磨削（UVAG）的加工效果。实验设备为精密平面磨床（砂轮：树脂结合剂金刚石砂轮，粒度#120，线速度 vs=45m/s, ），超声振动系统（频率 f=20kHz ，振幅 _A=15±2μm ，通过压电陶瓷换能器激励）。实验参数：砂轮进给速度 vw=5mm/s ，磨削深度 ap=lo_μm （单行程），分别测试无振动（CG）与施加超声振动（UVAG）两种工况。

（二）关键指标对比分析

1.磨削力与比能

磨削力通过三向测力仪（Kistler9257B）实时采集，结果显示：UVAG的主磨削力（法向力Fn 与切向力Ft）较CG 显著降低（图1）。具体数据：CG 的 Fn 均值为 120N，Ft 均值为 45N；UVAG 的 Fn 降至 75N（降幅 37.5% ），Ft 降 至 28N （ 降 幅 37.8% ）。比能（单位体积去除所需的能量，E=Ft ⋅ vs/(ap⋅ vw)）从 CG 的 8.5J/mm³ 降至UVAG的 5.2J/mm³( （降幅 38.8% ）。机理解释：振动的间歇性接触减少了单颗磨粒的持续载荷，同时冲击作用促进了材料的脆性剥落而非摩擦剪切，降低了能量消耗。

2.表面粗糙度与微观形貌

表面粗糙度（Ra）通过白光干涉仪测量，结果显示：CG 的 Ra=0.82μm ，存在明显划痕与脆性裂纹；UVAG 的 Ra=0.35μm （降幅 57.3% ），表面更光滑且无明显裂纹。扫描电镜（SEM）观察发现，CG 的亚表面存在深度约2-5μm 的锥形裂纹与分层损伤；UVAG 的亚表面仅存在少量微米级碎片剥落坑，损伤层深度小于 1μm 。机理解释：振动滑擦作用抑制了磨粒的过度挤压，同时冲击剥落形成的碎片尺寸更小，减少了表面划痕与亚表面裂纹的萌生。

3.工具磨损与寿命

砂轮磨损量通过电子显微镜测量磨粒脱落面积与结合剂破损程度。实验表明：连续磨削 10 分钟（总去除体积约 500mm³ ）后，CG 的砂轮表面金刚石磨粒脱落率达 40% ，结合剂出现明显磨损沟槽；UVAG 的磨粒脱落率仅 15% ，结合剂保持完整。机理解释：振动的冲击作用使磨粒与工件的接触更分散，减少了单颗磨粒的集中磨损；同时，动态载荷降低了磨粒-结合剂界面的剪切应力，延缓了磨粒脱落与结合剂破碎。

结语：

（一）主要结论

超声振动辅助磨削通过高频微幅振动改变了磨粒与工件的接触模式，使材料去除从“连续脆性断裂”转向“间歇冲击-疲劳剥落”，显著降低了磨削力与比能。

实验验证表明，UVAG 可有效提升陶瓷材料的加工质量（表面粗糙度降低 50% 以上，亚表面损伤深度减小），同时延长砂轮寿命（磨损率降低60% 以上）。

关键工艺参数（振幅、频率、磨削深度）需匹配材料特性——适度振幅（ 10-30μm ）与频率（ 20–40kHz ）是平衡去除效率与表面完整性的核心。

（二）未来展望

尽管UVAG 已展现出显著优势，仍存在以下挑战： ① 多场耦合（振动-热-力）下的材料去除机理需更精确的建模（如分子动力学模拟）； ② 针对不同难加工材料（如 SiC、金刚石涂层）的工艺参数优化； ③ 超声设备的小型化与智能化控制（如自适应振幅调节）。未来研究可结合原位观测技术（如高速摄影）与机器学习算法，进一步推动UVAG 在高端制造中的工程应用。

参考文献：

[1]许剑锋，黄凯，郑正鼎，等.难加工材料场辅助超精密加工研究[J].中国科学：技术科学，2022，52(06)：829-853.

[2]卢守相，郭塞，张建秋，等.高性能难加工材料可磨削性研究进展[J].表面技术，2022，51(03)：12-42.