超声振动辅助磨削牙科氧化锆陶瓷表面微观结构及其摩擦学特性研究

With the increasing of feasibility investigation on ultrasonic vibration assisted grinding(UVAG) technology used in ceramic dental prosthesis fields, the use performance of surface microstructure is concerned by researchers. Surface microstructure formation mechanism on the combined effect of material characteristics and grains interference is proposed, based on the material science, kinematics, indentation fracture mechanics and tribology. Then, surface microstructure representation models of the UVAG are constructed, and also the relation matrix between process parameters and them is presented. Meanwhile, the friction and wear tests between teeth and machined zirconic ceramics are carried out, according to the difference surface distribution characteristic. Then，elucidates the microstructure parameters affect on the teeth friction and wear performance. Therefore, the relationship between UVAG，surface microstructure and friction and wear performance is proposed. It will provide theoretical basis on improving wear characteristics and service life of teeth and dental prosthesis.

随着超声振动辅助磨削/铣削加工技术在陶瓷类口腔修复领域的可行性研究逐步深入，其形成的表面微观结构的使役性能成为关注的焦点。本项目以材料学、运动学、压痕断裂力学、摩擦学等为基础，揭示材料去除机制与多磨粒干涉共同作用下氧化锆陶瓷表面微观结构的形成机理。建立超声振动辅助磨削表面的微观结构表征模型，提出与工艺参数的关系矩阵。同时，针对不同表面分布特性的已加工表面开展氧化锆陶瓷与天然牙的摩擦磨损实验研究。分析表面微观结构特征参数对天然牙摩擦磨损性能的影响规律，从而揭示超声振动辅助磨削加工—表面微观结构—表面摩擦磨损性能三者之间的映射关系，为改善修复体与天然牙的摩擦磨损特性，提高修复体的使用寿命奠定基础。

本项目引入超声振动磨削技术改善氧化锆陶瓷表面质量，探索超声振动磨削氧化锆陶瓷的摩擦磨损性能。同时，基于超声振动磨削氧化锆陶瓷机理，开展表面特征形貌、表面三维粗糙度Sa和表面残余应力研究，明确三者与氧化锆陶瓷表面摩擦磨损性能的关联关系。主要完成的研究工作包括以下四个方面：.（1）基于超声振动磨削运动学特性、氧化锆陶瓷去除机理和磨粒干涉机制，提出了一种超声振动磨削氧化锆陶瓷表面特征形貌单个特征最大宽度、总长度和最大深度的理论模型。开展了超声振动磨削氧化锆陶瓷实验，揭示了工艺参数对表面特征形貌的影响规律。同时，对比研究发现超声振动磨削氧化锆陶瓷表面特征形貌单个特征的理论模型具有较高的精度。 .（2）基于超声振动磨削氧化锆陶瓷磨粒干涉机制，综合考虑超声振动磨削氧化锆陶瓷评定基准面，提出了一种超声振动磨削氧化锆陶瓷表面三维粗糙度Sa的理论模型，阐明了工艺参数对三维粗糙度Sa的影响规律。通过开展超声振动磨削实验发现，氧化锆陶瓷表面三维粗糙度Sa的预测值和实验值基本保持一致，整体平均相对误差为10.14%。.（3）基于表面残余应力的影响机制，明确了超声振动磨削氧化锆陶瓷表面残余应力的主要影响因素为机械应力，热应力效应对表面残余应力影响不大，相变对表面残余应力的影响极小。开展超声振动磨削和普通磨削氧化锆陶瓷实验，揭示了工艺参数对表面平均残余应力的影响规律。同时，对比研究发现超声振动磨削氧化锆陶瓷表面平均残余应力为压应力，其值比普通磨削平均增大27%左右。.（4）开展了超声振动磨削和普通磨削氧化锆陶瓷与天然牙对摩的摩擦磨损实验，发现超声振动磨削氧化锆陶瓷表面平均摩擦系数最高降低10%左右，与其对摩的天然牙疲劳磨损现象得到改善。开展了不同工艺参数下超声振动磨削氧化锆陶瓷摩擦磨损实验，揭示了表面特征形貌、Sa和表面残余应力对摩擦磨损性能的影响。采用灰色关联分析方法，明确了Sa对平均摩擦系数的影响最大，单个特征总长度、最大深度和最大宽度次之。表面平均残余应力与耐磨损性能具有一定的关联度。