秦真江 孙全平 吴海兵 陈前亮

(①江苏师范大学机电工程学院，江苏 徐州 221116;②淮阴工学院江苏省数字化制造技术重点实验室，江苏 淮安 223003)

加入3 mol%Y2O3稳定剂的四方相氧化锆陶瓷(3Y-TZP)通过应力诱导相变增韧机制具有出色的机械性能，在诸多领域得到广泛的应用［1-］。氧化锆陶瓷是无机非金属材料，具有高强度、高硬度、耐磨损、耐腐蚀、化学稳定性好和色质美观等特性［4-5］。3Y-TZP的结构和力学特性与天然牙齿相接近，通过调色与牙龈膜可以达到最佳的美观和谐效果，越来越多的患者选用此氧化锆陶瓷作为口腔修复材料［6］。

目前口腔全瓷修复的主流工艺是利用牙科CAD/CAM 系统加工结构疏松、易于切削的未烧结氧化锆陶瓷坯体，然后在1 450 ℃左右进行结晶化烧结［7］。此种工艺过程复杂，氧化锆陶瓷坯体在完全烧结后体积缩小约20%，不能保证修复体的尺寸精度［8］。另一种方法是直接加工完全烧结的氧化锆陶瓷成形，修复体的尺寸精度容易保证，但对机械加工的设备和工艺要求较高［9］。随着先进制造技术的发展，直接加工完全烧结的氧化锆陶瓷成形工艺必将成为主流工艺。3YTZP 属于脆性材料，材料去除以脆性断裂方式进行，容易产生微裂纹，影响材料的性能，在机械加工时刀具磨损严重［10］。因此，为扩大牙科氧化锆陶瓷应用的广度和深度，研究3Y-TZP 切削时的防裂机制、改善加工表面质量、提高刀具使用寿命已势在必行。

本文选用PCD 刀具在不同温度下进行牙科氧化锆陶瓷铣削试验，对比研究3Y-TZP 在不同温度下切削力的变化规律，分析了切屑的形态，观测了后刀面的磨损情况，建立了有效的刀具磨损预测模型。

1 试验条件与方法

1.1 试验条件

试验所用完全烧结氧化锆陶瓷规格为52 mm ×24 mm×13 mm，其化学成分主要是氧化锆，还含有氧化钇、氧化铪、氧化铝、氧化硅等成分，力学性能如表1 所示。

表1 完全烧结氧化锆陶瓷力学性能参数

铣削试验在瑞士米克朗UCP800 五轴加工中心上进行，利用Kistler 9257B 测力仪和与之配套的Kistler 5070 电荷放大器测量切削力Fx、Fy、Fz，分别表示径向铣削力、切向铣削力、轴向铣削力。刀具由瑞典山维特克公司生产，刀片型号为R390-11T304E-P4-NL CD10，刀具几何参数如表2 所示。使用OLYMPUS DSX100型显微镜观测PCD 刀具后刀面磨损情况和切屑形态。

表2 PCD 刀具几何参数

1.2 试验方法

在不同温度下进行铣削对比试验，温度分别为20 ℃，150 ℃，200 ℃，250 ℃，350 ℃。利用特制的多功能加热炉进行预热，为保证切削过程中温度恒定，使用温度传感器控制加热温度，试验装置如图1 所示。不同温度下的切削参数相同且均为顺铣，切削速度vc=56.52 mm/min，每齿进给量fz=0.04 mm/齿，轴向切深ap=3 mm，径向切宽ae=0.06 mm。

2 试验结果与讨论

2.1 动态切削力分析

陶瓷材料加工中切削力主要来自刀具与工件表面、切屑的摩擦以及材料弹塑性变形产生的抗力。实验中测力仪测出的时域信号要进行去噪处理，通过傅里叶变换将时域信号转变为频谱密度再对其进行分析并取平均值。图2 是氧化锆陶瓷在不同温度下铣削时切削力变化图，从图中可以看出，预热状态下的切削力要小于常温(20 ℃)状态下的切削力，预热切削时，刀具摩擦因数降低，变形系数减小，切削力会降低。切削初期，由于PCD 刀刃比较锋利，比较容易切入高硬高脆的氧化锆陶瓷，故不同温度下的切削力相差不大。随着切削时间的增长，刀刃开始磨钝，不同温度下的切削力相差越来越大，20 ℃环境下切削力增加的趋势最明显。而预热状态下，切削力的增加趋势比较平缓，主要是因为预热使氧化锆陶瓷材料软化，刀刃容易切入材料，降低了刀具和工件间的脆性冲击，氧化锆陶瓷材料开始以塑性流动型方式去除。由于PCD 刀具的耐热性差，温度越高，磨损越快，使用寿命越短，因此350 ℃环境下的切削力要大于其他预热温度下的切削力。

2.2 后刀面磨损形貌

图3 是不同温度下的后刀面磨损曲线，从图中可以看出，刀具磨损经历了磨损开始、磨损发展和快速磨损3 个阶段。在切削后期，常温状态下后刀面的磨损最为严重。金刚石刀具的后刀面在磨损很小时，刀刃比较锋利，不同温度状态下后刀面的磨损量相差不大，而随着切削时间的延长，磨损程度差距越来越明显。切削32 min 后常温状态下PCD 刀具后刀面的磨损量是250 ℃环境下的2 倍多，150 ℃、200 ℃和250 ℃状态下切削过程稳定，可以有效提高刀具使用寿命，保证加工质量。

常温状态下，随着后刀面磨损程度增加，刀刃开始变钝，后刀面与材料的接触不仅仅是摩擦，此时的冲击力也开始增强。而金刚石颗粒是通过结合剂在高温高压下烧结而成，后刀面和氧化锆陶瓷材料之间的冲击和振动会使金刚石颗粒脱落，加速后刀面的磨损。预热状态下，氧化锆陶瓷开始软化，刀具和材料间的冲击减弱，机床的振动也变弱，刀具比较容易切入材料，此时氧化锆陶瓷材料的去除不仅是以脆性断裂的方式进行，塑性切削也开始发生，后刀面的磨损量增加幅度比较平滑。图4 为不同温度下铣削32 min 后PCD 刀具后刀面的磨损形貌，从图中可以看出常温状态下刀具的磨损主要集中在后刀面，有明显的磨损亮带，后刀面磨损严重。预热状态下，后刀面的磨损亮带细小，预热使氧化锆陶瓷材料软化，切削时发生塑性变形，因此刀具磨损减小。但250 ℃和350 ℃状态下刀尖处发生崩刃，预热切削时刀尖处产生的热量不能及时排除，PCD刀具耐热性差，致使刀尖崩刃。

2.3 切屑形态分析

图5 为不同温度下铣削20 min 后收集的切屑，在相同切削参数和切削时间里，不同温度下的切屑有明显的不同，250 ℃状态下的切屑在尺寸上要大于其他温度下的切屑。形状上常温切屑为不规则且有着锋利的边角，这在脆性材料的切削中比较常见，切屑不断从材料连接的薄弱点脆性脱落。由于塑性变形，预热切削的切屑在形状上比较规则，主要呈片状，但350 ℃温度下的切屑已经出现颗粒状。

常温状态下，切削初期PCD 刀具后刀面磨损较小，刀刃比较锋利，切屑主要以碎屑状为主。随着后刀面磨损加剧，刀刃开始变钝，切屑的尺寸变小，变为颗粒状和粉末状并存，随着后刀面磨损加剧，切屑的尺寸继续变小，主要以粉末状为主。预热状态下，氧化锆化学键的结合强度降低，材料变软，硬度降低，切屑以塑性流动去除方式进行，后刀面的磨损程度明显弱于常温切削，刀刃的锋利程度高于常温切削，所以切屑为片状。切削初期，切屑呈片状，尺寸较大，切屑上的缝隙和裂纹很少，切削后期也是呈片状，但尺寸要小于初期，切屑上开始呈现裂纹和缝隙，不再是完整的片状，此时的切削机制开始发生转换，后刀面进一步磨损，脆性断裂变为主导作用，刀具磨损是氧化锆陶瓷以何种方式去除材料的重要因素。图6 为切削32 min 后的切屑显微形貌，此时常温和350 ℃温度下的切屑主要为粉末状，而其他温度下的切屑仍然呈片状，150 ℃和250 ℃温度下的切屑有着较大的尺寸。

2.4 基于灰色系统理论的刀具磨损预测

灰色系统是部分信息已知、部分信息未知的系统，即信息不完全的系统［11］。GM 模型，即灰色模型(gray model)，灰色建模利用原始数据列作生成后建立微分方程，GM(1，1)模型是灰色预测理论中最核心的模型。

GM(1，1)数值模型是

将x(0)、x(1)代入方程(1)中，利用最小二乘法求出方程(1)中的a、b 参数:

求出GM(1，1)数值模型的解为:

将常温和预热后刀面磨损量作为原始数据列，即:

利用Mtalab 软件编程求解，得出不同温度下后刀面磨损量的预测值以及相关a、b 参数为:

通过计算得出，在不同温度下预测值的残差和相对残差为:

从上述计算数据可以得出，不同温度下，平均残差分别为5.16%，2.43%，4.14%，1.79%，3.17%，精度分别为94.84%，97.57%，95.86%，98.21%，96.83%。运用GM(1，1)模型预测牙科氧化锆陶瓷铣削刀具的磨损精度高，预测模型有效可靠。

根据粗加工要求，选取PCD 刀具后刀面的磨损量达到300 μm 为磨钝标准，利用公式:

分别求出不同温度下PCD 刀具的使用寿命。k20℃=12.4，k150℃=25.4，k200℃=20.5，k250℃=22.2，k350℃=16.2。由于选取第4 min 后刀面的磨损量作为预测原始数列的第一个值，求出不同温度下PCD 刀具的使用寿命分别为t20℃=53.6 min，t150℃=105.6 min，t200℃=86min，t250℃=92.8 min，t350℃=68.8 min。达到磨钝标准后，为保证加工质量，应在规定的时间内换刀。

3 结语

通过对比PCD 刀具在不同温度下铣削完全烧结氧化锆陶瓷试验可以得出以下结论:

(1)预热状态下氧化锆陶瓷有变软趋势，硬度降低，刀具和材料之间的冲击减弱，机床的振动变弱，刀具容易切入材料，易于铣削加工。

(2)常温状态下铣削氧化锆陶瓷时，材料主要以脆性断裂方式去除，而预热状态下，材料去除方式开始向塑性变形过渡。

(3)在150 ℃～250 ℃状态下铣削氧化锆陶瓷可以延长PCD 刀具的使用寿命。

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