一种超声振动磨削牙科氧化锆陶瓷微观结构的预测方法技术

本发明专利技术提出一种超声振动磨削牙科氧化锆陶瓷微观结构的预测方法，首先，根据超声振动条件下磨削的特点，建立单颗磨粒的运动轨迹方程；并根据单颗磨粒在牙科氧化锆陶瓷上生成的裂纹系统，计算获得横向裂纹的宽度和深度及表面凹坑的长度，根据以上结果，建立无干涉作用下单个微凹坑模型(M1模型)；其次，建立磨粒在刀具端面的随机分布模型，根据磨粒的随机分布特点，基于干涉机理，求取相邻凹坑的中心线之间的距离，从而建立干涉作用下单个微凹坑模型(M2模型)；最后，开展超声振动辅助磨削牙科氧化锆陶瓷试验，观察不同加工参数下表面的微观结构，并对M2模型进行验证，结果显示，预测值和试验值匹配性较好。

A method for predicting the surface microstructure of dental zirconia ceramics by ultrasonic vibration assisted grinding

\u672c\u53d1\u660e\u63d0\u51fa\u4e00\u79cd\u8d85\u58f0\u632f\u52a8\u8f85\u52a9\u78e8\u524a\u7259\u79d1\u6c27\u5316\u9506\u9676\u74f7\u8868\u9762\u5fae\u89c2\u7ed3\u6784\u7684\u9884\u6d4b\u65b9\u6cd5\uff0c\u9996\u5148\uff0c\u6839\u636e\u8d85\u58f0\u632f\u52a8\u6761\u4ef6\u4e0b\u78e8\u524a\u7684\u7279\u70b9\uff0c\u5efa\u7acb\u5355\u9897\u78e8\u7c92\u7684\u8fd0\u52a8\u8f68\u8ff9\u65b9\u7a0b\uff1b\u5e76\u6839\u636e\u5355\u9897\u78e8\u7c92\u5728\u7259\u79d1\u6c27\u5316\u9506\u9676\u74f7\u4e0a\u751f\u6210\u7684\u88c2\u7eb9\u7cfb\u7edf\uff0c\u8ba1\u7b97\u83b7\u5f97\u6a2a\u5411\u88c2\u7eb9\u7684\u5bbd\u5ea6\u548c\u6df1\u5ea6\u53ca\u8868\u9762\u51f9\u5751\u7684\u957f\u5ea6\uff0c\u6839\u636e\u4ee5\u4e0a\u7ed3\u679c\uff0c\u5efa\u7acb\u65e0\u5e72\u6d89\u4f5c\u7528\u4e0b\u5355\u4e2a\u5fae\u51f9\u5751\u6a21\u578b(M1\u6a21\u578b)\uff1b\u5176\u6b21\uff0c\u5efa\u7acb\u78e8\u7c92\u5728\u5200\u5177\u7aef\u9762\u7684\u968f\u673a\u5206\u5e03\u6a21\u578b\uff0c\u6839\u636e\u78e8\u7c92\u7684\u968f\u673a\u5206\u5e03\u7279\u70b9\uff0c\u57fa\u4e8e\u5e72\u6d89\u673a\u7406\uff0c\u6c42\u53d6\u76f8\u90bb\u51f9\u5751\u7684\u4e2d\u5fc3\u7ebf\u4e4b\u95f4\u7684\u8ddd\u79bb\uff0c\u4ece\u800c\u5efa\u7acb\u5e72\u6d89\u4f5c\u7528\u4e0b\u5355\u4e2a\u5fae\u51f9\u5751\u6a21\u578b(M2\u6a21\u578b)\uff1b\u6700\u540e\uff0c\u5f00\u5c55\u8d85\u58f0\u632f\u52a8\u8f85\u52a9\u78e8\u524a\u7259\u79d1\u6c27\u5316\u9506\u9676\u74f7\u8bd5\u9a8c\uff0c\u89c2\u5bdf\u4e0d\u540c\u52a0\u5de5\u53c2\u6570\u4e0b\u8868\u9762\u7684 The microstructure of the M2 model is verified, and the results show that the matching between the predicted value and the test value is good.

【技术实现步骤摘要】
一种超声振动辅助磨削牙科氧化锆陶瓷表面微观结构的预测方法
本专利技术属于超声振动辅助磨削加工
，特别涉及超声振动辅助磨削牙科氧化锆陶瓷表面微观结构的预测方法。
技术介绍
在传统的机械工程领域，改善零件之间的摩擦磨损性能主要是改善表面微织构和提高润滑剂的性能。然而在口腔修复领域，改变人体口腔内唾液的可能性微乎其微。因此，义齿材料表面微织构的改进与优化将成为改善摩擦磨损性能的主要措施。近年来，陶瓷材料凭借优异的仿真美观效果、化学稳定性、生物相容性及耐磨性等，成为替代天然牙硬组织的主要义齿材料之一，其中牙科氧化锆陶瓷是目前最受青睐的选择。传统全锆牙冠的制作工艺是通过对预烧结瓷块进行高速铣削或磨削后再进行二次烧结后获得，如图2所示。受牙冠壁厚尺寸及二次烧结过程中成型压力、粉体粒度、维压时间和水分含量等因素的影响，收缩率难以精确控制。然而牙冠的制造精度不仅严重影响了患者的佩戴舒适感同时是导致其断裂失效的主要因素。为了解决上述问题，最理想和便捷的途径便是将超声振动辅助磨削技术引入口腔修复领域实现对牙科氧化锆陶瓷的直接加工。现有的超声振动辅助磨削技术已被引入口腔修复领域。由于超声振动辅助磨削技术不仅能改变传统陶瓷牙冠的制造工艺(实现牙科氧化锆陶瓷的一次成型加工)，同时能形成大面积各向同性的表面织构，与传统的普通金刚石磨削的犁沟状织构存在鲜明反差。然而，目前对超声振动辅助磨削牙科氧化锆陶瓷表面微观结构的研究尚不清楚，尚不明确超声振动辅助磨削牙科氧化锆陶瓷表面微观结构的形成过程。
技术实现思路
本专利技术的目的旨在预测一种超声振动辅助磨削牙科氧化锆陶瓷表面微观结构，提出了一种超声振动辅助磨削牙科氧化锆陶瓷表面微观结构的预测方法，能够预测牙科氧化锆陶瓷材料超声振动辅助磨削过程中的表面微观结构。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种超声振动辅助磨削牙科氧化锆陶瓷表面微观结构的预测方法，包括以下步骤：步骤1、建立单颗磨粒的运动轨迹方程：超声振动辅助磨削牙科氧化锆陶瓷的过程中，包括三个方面的运动形式：主轴的旋转运动、主轴的超声振动和刀具的进给运动，根据三种运动形式，建立单颗磨粒的运动轨迹方程；步骤2、建立单颗磨粒的裂纹系统：根据脆性材料脆性去除机理，获取单颗磨粒生成裂纹的宽度CL和深度Ch表达式，根据总的轴向力和总磨粒数的比值求得单颗磨粒的轴向力，并根据牙科氧化锆陶瓷的性能，求取宽度CL和深度Ch基于加工和振动参数的表达式；步骤3、建立无干涉作用下单个微凹坑模型(M1模型)：超声振动辅助磨削牙科氧化锆是断续切削的过程，获取有效切削时间tAB，基于有效切削时间，获得有效切削长度Ld。基于单颗磨粒的运动轨迹方程和单颗磨粒的裂纹系统，建立基于宽度CL、深度Ch和有效切削长度Ld的无干涉作用下单个微凹坑模型(M1模型)；步骤4、建立刀具端面磨粒的随机分布模型：假设刀具端面磨粒分布为均匀分布，获取概率密度函数f(r)；步骤5、相邻凹坑中心线间距：假设相邻凹坑中心线之间的距离为Δd，根据联合概率密度函数f(d1,d2)和概率密度函数f(r)，获取Δd的概率密度函数，从而获取Δd的期望值；步骤6、建立干涉作用下单个微凹坑模型(M2模型)：依据Δd的期望值，获取平均干涉作用下单个微凹坑模型(M2模型)的宽度、深度和长度值；步骤7、根据干涉作用下单个微凹坑模型(M2模型)，对不同参数下的表面微观结构进行预测。本专利技术的计算过程更加符合实际加工状况，并且考虑了凹坑的干涉作用和实际工况。可用于预测超声振动辅助磨削牙科氧化锆陶瓷表面微观结构。下面结合附图对本专利技术作进一步详细描述。附图说明图1为本专利技术表面微观结构预测方法的流程图。图2为超声振动辅助磨削运动关系示意图图3为无干涉作用下单个微凹坑模型(M1模型)示意图图4为连续凹坑干涉示意图。图5为干涉作用下单个微凹坑模型(M2模型)示意图图6为表面微观结构宽度试验值和预测值对比图图7为表面微观结构深度试验值和预测值对比图图8为表面微观结构长度试验值和预测值对比图具体实施方式为了更好的了解本专利技术的
技术实现思路
，特举具体实例并配合所附图说明如下。结合图1，为本专利技术的预测方法的流程图；本专利技术的超声振动辅助磨削牙科氧化锆陶瓷表面微观结构的预测方法，具体包括以下步骤：步骤1、建立单颗磨粒的运动轨迹方程：超声振动辅助磨削牙科氧化锆陶瓷的过程中，包括三个方面的运动形式：主轴的旋转运动、主轴的超声振动和刀具的进给运动，根据三种运动形式，如图2所示，建立单颗磨粒的运动轨迹方程；1.1、根据刀具的进给运动，建立进给方向运动方程：x＝Vst+rcos(ωt)(1)1.2、根据主轴的旋转运动，建立运动方程：y＝rsin(ωt)(2)1.3、根据主轴的超声振动作用，建立轴向运动方程：z＝Asin(2πft)(3)其中，Vs为进给速度，mm/s；t为单颗磨粒的切削时间，s；r为单颗磨粒的旋转半径，mm；ω为磨粒的角速度，rad/s；A为超声振幅，μm；f为振动频率，Hz，步骤2、建立单颗磨粒的裂纹系统：根据脆性材料脆性去除机理，获取单颗磨粒生成裂纹的宽度CL和深度Ch表达式，根据总的轴向力和总磨粒数的比值求得单颗磨粒的轴向力，并根据牙科氧化锆陶瓷的性能，求取宽度CL和深度Ch基于加工和振动参数的表达式；2.1、根据脆性材料脆性去除机理，可获得裂纹的宽度CL和深度Ch表达式：其中，C2为无维常量，C2＝0.226；β为单个磨粒两条对立边的角度值；E是牙科氧化锆陶瓷的杨氏模量，MPa；Hv是材料的硬度值，MPa；KIC是结构强度，MPa；υ是材料的泊松比；F为单颗磨粒的轴向力，N，2.2、刀具整体的轴向力，即刀具端面所有磨粒的轴向力为：其中，k0为无维常量，k0＝2-33/16×3607/8×ξ1/16×π-7/8＝14.60；k1与切削参数有关，k1＝0.0614n0.5738·Vs-0.8564·ap-0.5313；R1为刀具内半径，mm；D2是刀具外直径，mm；C0是无维常量，C0＝[3×0.88×10-3/(100×20.5ρ)]2/3，ρ为牙科氧化锆陶瓷的密度，g/cm3；Ca为刀具磨粒的浓度，与刀具的具体型号有关，一般取值100；R2为刀具的外半径，mm；e为磨粒的尺寸，与刀具的具体型号有关，mm；n是刀具的主轴转速，r/min；A为超声振幅，μm；ap是刀具的切深，mm；2.3、刀具端面的有效磨粒数为：2.4、单颗磨粒上的轴向力：2.5、将F值带入式(4)和式(5)，求取宽度CL和深度Ch基于加工和振动参数的表达式：CL＝m·n-0.2599·Vs0.07853·ap-0.2906·(A+ap)0.5469·A-0.07813(9)Ch＝m1·n-0.1865·Vs-0.06207·ap-0.2324·(A+ap)0.4375·A-0.0625(11)步骤3、建立无干涉作用下单个微凹坑模型(M1模型)：超声振动辅助磨削牙科氧化锆是断续切削的过程，获取有效切削时间tAB，基于有效切削时间，获得有效切削长度Ld。基于单颗磨粒的运动轨迹方程和单颗磨粒的裂纹系统，建立基于宽度CL、深度Ch和有效切削长度Ld的无干涉作用下单个微凹坑模型(M1模型)，如图3所示；3.1、超声振动辅助磨削牙科氧化锆过程是断续切削的过程，获取有效切削时本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超声振动辅助磨削牙科氧化锆陶瓷表面微观结构的预测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤(1)：建立单颗磨粒的运动轨迹方程：超声振动辅助磨削牙科氧化锆陶瓷的过程中，包括三个方面的运动形式：主轴的旋转运动、主轴的超声振动和刀具的进给运动，根据三种运动形式，建立单颗磨粒的运动轨迹方程；步骤(2)：建立单颗磨粒的裂纹系统：根据脆性材料脆性去除机理，获取单颗磨粒生成裂纹的宽度CL和深度Ch表达式，根据总的轴向力和总磨粒数的比值求得单颗磨粒的轴向力，并根据牙科氧化锆陶瓷的性能，求取宽度CL和深度Ch基于加工和振动参数的表达式；步骤(3)：建立无干涉作用下单个微凹坑模型(M1模型)：超声振动辅助磨削牙科氧化锆是断续切削的过程，获取有效切削时间tAB，基于有效切削时间，获得有效切削长度Ld。基于单颗磨粒的运动轨迹方程和单颗磨粒的裂纹系统，建立基于宽度CL、深度Ch和有效切削长度Ld的无干涉作用下单个微凹坑模型(M1模型)；步骤(4)：建立刀具端面磨粒的随机分布模型：假设刀具端面磨粒分布为均匀分布，获取概率密度函数f(r)；步骤(5)：相邻凹坑中心线间距：假设相邻凹坑中心线之间的距离为Δd，根据联合概率密度函数f(d1,d2)和概率密度函数f(r)，获取Δd的概率密度函数，从而获取Δd的期望值；步骤(6)：建立干涉作用下单个微凹坑模型(M2模型)：依据Δd的期望值，获取平均干涉作用下单个微凹坑模型(M2模型)的宽度、深度和长度值；步骤(7)：根据干涉作用下单个微凹坑模型(M2模型)，对不同参数下的表面微观结构进行预测。...

【技术特征摘要】
1.一种超声振动辅助磨削牙科氧化锆陶瓷表面微观结构的预测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤(1)：建立单颗磨粒的运动轨迹方程：超声振动辅助磨削牙科氧化锆陶瓷的过程中，包括三个方面的运动形式：主轴的旋转运动、主轴的超声振动和刀具的进给运动，根据三种运动形式，建立单颗磨粒的运动轨迹方程；步骤(2)：建立单颗磨粒的裂纹系统：根据脆性材料脆性去除机理，获取单颗磨粒生成裂纹的宽度CL和深度Ch表达式，根据总的轴向力和总磨粒数的比值求得单颗磨粒的轴向力，并根据牙科氧化锆陶瓷的性能，求取宽度CL和深度Ch基于加工和振动参数的表达式；步骤(3)：建立无干涉作用下单个微凹坑模型(M1模型)：超声振动辅助磨削牙科氧化锆是断续切削的过程，获取有效切削时间tAB，基于有效切削时间，获得有效切削长度Ld。基于单颗磨粒的运动轨迹方程和单颗磨粒的裂纹系统，建立基于宽度CL、深度Ch和有效切削长度Ld的无干涉作用下单个微凹坑模型(M1模型)；步骤(4)：建立刀具端面磨粒的随机分布模型：假设刀具端面磨粒分布为均匀分布，获取概率密度函数f(r)；步骤(5)：相邻凹坑中心线间距：假设相邻凹坑中心线之间的距离为Δd，根据联合概率密度函数f(d1,d2)和概率密度函数f(r)，获取Δd的概率密度函数，从而获取Δd的期望值；步骤(6)：建立干涉作用下单个微凹坑模型(M2模型)：依据Δd的期望值，获取平均干涉作用下单个微凹坑模型(M2模型)的宽度、深度和长度值；步骤(7)：根据干涉作用下单个微凹坑模型(M2模型)，对不同参数下的表面微观结构进行预测。2.如权利要求1所述的一种超声振动辅助磨削牙科氧化锆陶瓷表面微观结构的预测方法，其特征在于，前述步骤(1)中，建立单颗磨粒的运动轨迹方程步骤如下：步骤1.1，根据刀具的进给运动，建立进给方向运动方程：x＝Vst+rcos(ωt)(1)步骤1.2，根据主轴的旋转运动，建立运动方程：y＝rsin(ωt)(2)步骤1.3，根据主轴的超声振动作用，建立轴向运动方程：z＝Asin(2πft)(3)其中，Vs为进给速度，mm/s；t为单颗磨粒的切削时间，s；r为单颗磨粒的旋转半径，mm；ω为磨粒的角速度，rad/s；A为超声振幅，μm；f为振动频率，Hz。3.如权利要求2所述的一种超声振动辅助磨削牙科氧化锆陶瓷表面微观结构的预测方法，其特征在于，前述步骤(2)中，建立单颗磨粒的裂纹系统，步骤如下：步骤2.1，根据脆性材料脆性去除机理，可获得裂纹的宽度CL和深度Ch表达式：其中，C2为无维常量，C2＝0.226；β为单个磨粒两条对立边的角度值；E是牙科氧化锆陶瓷的杨氏模量，MPa；Hv是材料的硬度值，MPa；KIC是结构强度，MPa；υ是材料的泊松比；F为单颗磨粒的轴向力，N；步骤2.2、刀具整体的轴向力，即刀具端面所有磨粒的轴向力为：其中，k0为无维常量，k0＝2-33/16×3607/8×ξ1/16×π-7/8＝14.60；k1与切削参数有关，k1＝0.0614n0.5738·Vs-0.8564·ap-0.5313；R1为刀具内半径，mm；D2是刀具外直径，mm；C0是无维常量，C0＝[3×0.88×10-3/(100×20.5ρ)]2/3，ρ为牙科氧化锆陶瓷的密度，g/cm3；Ca为刀具磨粒的浓度，与刀具的具体型号有关；R2为刀具的外半径，mm；e为磨粒的尺寸，与刀具的具体型号有关，mm；n是刀具的主轴转速，r/min；A为超声振幅，μm；ap是刀具的切深，mm；步骤2.3，刀具端面的有效磨粒数为：步骤2.4，单颗磨粒上的轴向力：步骤2.5，将F值带入式(4)和式(5)，求取宽度CL和深度Ch基于加工和振动参数的表达式：CL＝m·n-0.2599·Vs0.07853·ap-0.2906·(A+ap)0.5469·A-0.07813(9)Ch＝m1·n-0.1865·Vs-0.06207·ap-0.2324·(A+ap)0.4375·A-0.0625(11)

【专利技术属性】
技术研发人员：廖文和，李志华，郑侃，董松，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32