牙科氧化鋯陶瓷的銑削加工研究.pdf

1、氧化鋯陶瓷由于其優(yōu)異性能在牙科修復(fù)領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用。但是，牙科氧化鋯陶瓷的完全燒結(jié)體在加工過程中容易產(chǎn)生表面和亞表面損傷，從而導(dǎo)致牙科修復(fù)體過早發(fā)生失效損壞。完全燒結(jié)牙科氧化鋯陶瓷（下文稱完全燒結(jié)氧化鋯）屬于硬脆性難加工材料，一般只能以磨削作為加工手段，成本高、效率低。本文基于“以切代磨”的思路對金剛石刀具銑削完全燒結(jié)氧化鋯的切削性能、工藝及機(jī)理開展深入研究，為該材料銑削工藝實(shí)用化奠定基礎(chǔ)。本文完成的主要工作如下：
　　1.完全

2、燒結(jié)氧化鋯切削的離散元仿真模型
　　采用力學(xué)性能數(shù)值模擬試驗(yàn)方法，分析了完全燒結(jié)氧化鋯顆粒微觀參數(shù)（顆粒剛度、連接鍵強(qiáng)度等）對材料宏觀性能（強(qiáng)度、韌性等）的影響規(guī)律；通過對比材料宏觀性能的模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果，修正顆粒的微觀參數(shù)，從而保證了顆粒微觀參數(shù)的準(zhǔn)確性，使顆粒連接模型最大程度接近實(shí)際。同時，建立了完全燒結(jié)氧化鋯切削離散元法刀具模型，為完全燒結(jié)氧化鋯陶瓷的應(yīng)力、亞表面損傷等研究提供了基礎(chǔ)。
　　2.完全燒結(jié)氧化鋯脆性域銑

3、削加工的切削力與切削熱
　　采用正交試驗(yàn)法設(shè)計(jì)了完全燒結(jié)氧化鋯的脆性域銑削加工實(shí)驗(yàn)，研究了切削力、切削溫度、熱應(yīng)力以及切削應(yīng)力隨切削參數(shù)的變化規(guī)律?；跓嵩捶?，建立了完全燒結(jié)氧化鋯切削溫度的有限元分析模型；通過紅外測溫實(shí)驗(yàn)結(jié)果與切削溫度仿真結(jié)果的對比分析，獲得了切削熱傳入陶瓷工件的傳熱比例。結(jié)果表明該比例較低，僅為3.5％左右，并且進(jìn)給速度對該值的影響比較小。
　　3.完全燒結(jié)氧化鋯脆性域銑削表面形貌、表面/亞表面損傷以及刀

4、具磨損
　　通過改變進(jìn)給速度開展了不同最大未變形切屑厚度（以下簡稱切削厚度）條件下的脆性域銑削試驗(yàn)。采用掃描電鏡觀測了加工表面形貌，發(fā)現(xiàn)已加工表面上有光滑條痕和脆斷區(qū)域間隔交替出現(xiàn)，隨著切削厚度的增大光滑條痕所占比例不斷減少直至消失；加工表面損傷包括脆斷凹坑、光滑條痕處微裂紋、脆斷區(qū)域微裂紋、大裂紋及魚鱗狀裂紋，未發(fā)現(xiàn)橫跨多個區(qū)域的細(xì)長裂紋。采用離散元法仿真得到了亞表面裂紋深度隨切削厚度的變化規(guī)律。開展了刀具磨損試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)刀具磨損

5、的主要形式包括晶粒脫落、局部崩刃、磨粒磨損以及石墨化，并分析了刀具磨損對切削力及其信號分形維數(shù)的影響。
　　4.完全燒結(jié)氧化鋯延性域銑削加工可行性及其機(jī)理
　　開展了小切削厚度條件下的銑削試驗(yàn)，通過對加工表面形貌的掃描電鏡觀測，證實(shí)了完全燒結(jié)氧化鋯延性域切削的可行性，并且確定脆延轉(zhuǎn)變臨界切削厚度大約為0.65μm。綜合采用應(yīng)力均布效應(yīng)理論和滑移理論解釋了脆延轉(zhuǎn)變機(jī)理：刀具刃口圓弧擠壓效應(yīng)給切削區(qū)域帶來均勻的高壓應(yīng)力場，抑制了

6、裂紋的擴(kuò)展，從而使得刀具刃口圓弧附近的材料以滑移形式形成切屑。通過離散元仿真分析了不同切削厚度下刀具刃口圓弧附近區(qū)域壓應(yīng)力與剪應(yīng)力的比值，驗(yàn)證了上述對脆延轉(zhuǎn)變機(jī)理的解釋。
　　5.完全燒結(jié)氧化鋯延性域銑削加工的表面質(zhì)量
　　開展了不同切削厚度下已加工表面的粗糙度試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，延性域銑削時表面粗糙度在Ra0.4-0.5左右，可以滿足牙科要求。利用X射線衍射法，獲得了不同切削厚度下已加工表面的殘余應(yīng)力，研究表明殘余應(yīng)力大小

7、隨切削厚度增大而增大，均為壓應(yīng)力，最大值約為230MPa。同時，仿真分析表明切削過程中的熱應(yīng)力較小，不到總應(yīng)力絕對值的10%，而機(jī)械應(yīng)力是構(gòu)成表面殘余應(yīng)力的主要因素。
　　6.完全燒結(jié)氧化鋯銑削加工工藝優(yōu)化及驗(yàn)證
　　以脆性域、脆延轉(zhuǎn)變、延性域切削的研究結(jié)果為基礎(chǔ)，對完全燒結(jié)氧化鋯的粗加工、半精加工、精加工工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。采用優(yōu)化條件加工出了若干槽牙冠模型，并對其中一對牙模進(jìn)行咬合試驗(yàn)。通過約960小時的試驗(yàn)，牙模嚙合面