李建廣，姚英學(xué)，趙 航，李大博

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，150001 哈爾濱）

SiCp/Al窄槽的銑磨實(shí)驗(yàn)研究(Ⅱ)
——表面粗糙度

李建廣，姚英學(xué)，趙 航，李大博

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，150001 哈爾濱）

針對(duì)SiCp/Al構(gòu)件加工中大去除余量、高精度的需求，以銑磨加工窄槽為對(duì)象，實(shí)驗(yàn)研究電鍍金剛石砂輪銑磨加工SiCp/Al窄槽中的加工參數(shù)、銑磨工具對(duì)已加工表面粗糙度的影響.實(shí)驗(yàn)分析表明:銑磨速度、進(jìn)給速度、砂輪粒度和結(jié)構(gòu)對(duì)SiCp/Al銑磨表面的粗糙度有顯著影響，砂輪速度對(duì)表面粗糙度的影響呈鞍型，先降后增;表面粗糙度隨進(jìn)給速度的增大而增大;不開(kāi)槽砂輪可獲得低粗糙度的表面.采用降低進(jìn)給速度，提高砂輪速度，不開(kāi)槽砂輪可獲得低粗糙度的加工表面.在實(shí)驗(yàn)條件下，最佳銑磨參數(shù)組合是磨削速度9.42 m/s，進(jìn)給速度20 mm/min;如采用開(kāi)槽砂輪銑磨窄槽，則銑磨工具的容屑槽螺旋角可選50°.

碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料;銑磨;表面粗糙度;加工參數(shù);銑磨工具

碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料(SiC particle reinforced aluminum matrix composite，SiCp/Al)以其優(yōu)異的物理性能和機(jī)械性能，在航空航天、光學(xué)儀器、汽車、武器等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景［1－2］.但由于 SiCp/Al中增強(qiáng)相 SiCp 的硬度高、脆性大，加工表面質(zhì)量不易保證.表面質(zhì)量影響著已加工表面的耐磨性、抗腐蝕性、抗疲勞破壞性，SiCp/Al屬于難加工材料，加工表面存在各種因加工而引起的缺陷，難以獲得高質(zhì)量的加工表面［3］，以SiCp/Al為代表的顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的加工工藝和提高表面質(zhì)量的研究受到國(guó)內(nèi)外關(guān)注［4－5］.

磨削是工件高質(zhì)量加工的主要手段.磨削SiCp/Al的實(shí)驗(yàn)表明:由于軟的基體金屬堵塞砂輪，導(dǎo)致砂輪加工能力降低或失效;與超硬磨料相比，普通磨料的砂輪堵塞較輕，磨削力小，表面粗糙度值?。?］，磨削表面的粗糙度與材料的硬度呈線性關(guān)系［7］.文獻(xiàn)［8］磨削 Al2O3顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的實(shí)驗(yàn)表明:粗粒度SiC砂輪用于粗磨時(shí)，表面粗糙度值可達(dá)到0.15～0.70 μm;細(xì)粒度的樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石砂輪在磨削深度為1 μm時(shí)無(wú)涂敷現(xiàn)象，表面粗糙度在0.20～0.35 μm，表面及亞表面無(wú)裂紋和缺陷產(chǎn)生.文獻(xiàn)［9］進(jìn)一步探討了燒傷機(jī)理，為提高表面質(zhì)量提供了支持.在磨床上磨削加工顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料可獲得比較高的表面質(zhì)量，但以往研究集中在磨削性能及加工表面的質(zhì)量分析上，未見(jiàn)有關(guān)材料去除效率和曲面加工等方面的研究報(bào)道.

本研究以SiCp/Al窄槽的高效、高精度加工需求為背景，研究大去除余量下電鍍金剛石砂輪在銑床上加工(本文稱為銑磨)SiCp/Al窄槽對(duì)表面粗糙度的影響規(guī)律，為優(yōu)選加工參數(shù)和優(yōu)選銑磨工具提供借鑒.

圖1 SiCp/Al銑磨加工的表面形貌和缺陷

1 實(shí)驗(yàn)條件

本文主要研究加工參數(shù)和開(kāi)槽砂輪對(duì)表面粗糙度的影響規(guī)律，單因素實(shí)驗(yàn)研究銑磨速度、進(jìn)給速度、銑磨工具螺旋角等對(duì)表面粗糙度的影響，實(shí)驗(yàn)條件和銑磨工具同文獻(xiàn)［10］，實(shí)驗(yàn)所用的銑磨工具均為不同形狀直徑10 mm的電鍍金剛石砂輪.

實(shí)驗(yàn)中，表面粗糙度用北京時(shí)代集團(tuán)公司研制的TR200手持式粗糙度儀測(cè)量.該粗糙度儀最小測(cè)量值為 Ra=0.025 μm，分辨力為 0.01 μm，測(cè)量誤差≤10%，可滿足實(shí)驗(yàn)的測(cè)量需求.選擇已加工的窄槽側(cè)壁為測(cè)量表面，沿砂輪進(jìn)給方向測(cè)量4個(gè)點(diǎn)的平均值作為測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

2 銑磨加工表面形貌分析

SiCp/Al復(fù)合材料由鋁合金基體和SiC增強(qiáng)顆粒組成，增強(qiáng)顆粒SiC和鋁基體的物理性能差別很大.鋁基體較軟，加工時(shí)易發(fā)生塑性變形;而SiCp增強(qiáng)顆粒硬度高、脆性大，加工中易破碎和脫落，并且脫落的SiCp有可能成為磨料.銑磨加工SiCp/Al實(shí)驗(yàn)中形成的表面形貌如圖1所示.

圖2為銑磨加工SiCp/Al復(fù)合材料得到的型腔.從圖中可以看出，銑磨加工得到的型腔結(jié)構(gòu)完整，切入切出口處沒(méi)有崩邊現(xiàn)象，銑磨工具端面可得到較側(cè)面更低的表面粗糙度值.

圖2 銑磨加工實(shí)物圖

3 表面粗糙度影響因素的實(shí)驗(yàn)

3.1 銑磨參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響

在本研究中，銑磨參數(shù)主要涉及銑磨速度(即銑磨工具的線速度)和進(jìn)給速度，采用單因素實(shí)驗(yàn)研究銑磨參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響.實(shí)驗(yàn)所用的銑磨工具為未開(kāi)槽的電鍍金剛石砂輪(文獻(xiàn)［10］中表1的1號(hào)銑磨工具).實(shí)驗(yàn)中的銑磨參數(shù)如表1所示.

表1 表面粗糙度單因素實(shí)驗(yàn)參數(shù)

3.1.1 銑磨速度對(duì)表面粗糙度的影響

固定進(jìn)給速度，改變銑磨速度銑磨加工SiCp/Al窄槽，并測(cè)量窄槽側(cè)壁的表面粗糙度.表面粗糙度隨銑磨速度的變化如圖3所示.

圖3 表面粗糙度隨砂輪線速度的變化對(duì)比

由圖3可知，表面粗糙度值隨銑磨線速度的變化呈馬鞍形，先呈下降趨勢(shì)，后又增大.銑磨速度的增大使銑磨工具每轉(zhuǎn)的去除量減小;單位時(shí)間有效磨粒數(shù)增加，使得溝痕的最大深度減小.隨著銑磨速度的增大磨削區(qū)域溫度升高，鋁基體軟化并涂覆在已加工表面上使得粗糙度值有所下降.

隨著銑磨速度的進(jìn)一步增大，如10.47 m/s時(shí)，機(jī)床振動(dòng)和銑磨工具的振動(dòng)加劇，表面粗糙度值變大.

3.1.2 進(jìn)給速度對(duì)表面粗糙度的影響

固定銑磨速度，改變進(jìn)給速度進(jìn)行窄槽銑磨實(shí)驗(yàn)，進(jìn)給速度對(duì)表面粗糙度的影響如圖4所示.

圖4 表面粗糙度隨進(jìn)給速度的變化

由圖4可知:已加工表面粗糙度值隨進(jìn)給速度近似呈線性變化.增大的進(jìn)給速度使未變形切削厚度增大，單個(gè)磨粒單位時(shí)間去除的體積也增大，銑磨力增大，磨粒在工件上刻劃的溝痕深度及兩側(cè)隆起增大，導(dǎo)致表面粗糙度值變大.而且當(dāng)進(jìn)給速度增大時(shí)，SiC顆粒更易發(fā)生破碎脫落，也增大了表面粗糙度值.

3.2 銑磨工具對(duì)表面粗糙度的影響

3.2.1 磨粒粒度對(duì)表面粗糙度的影響

固定進(jìn)給速度，改變砂輪線速度進(jìn)行銑磨實(shí)驗(yàn)，所用的銑磨工具為未開(kāi)槽的電鍍金剛石砂輪，磨粒粒度分別為80#和120#(文獻(xiàn)［10］中表1的1號(hào)和4號(hào)銑磨工具).磨粒粒度對(duì)表面粗糙度的影響對(duì)比如圖5所示，對(duì)應(yīng)的加工表面形貌見(jiàn)圖6.

圖5 磨粒粒度對(duì)表面粗糙度的影響

圖6 已加工表面形貌

由圖5得到:在一定范圍內(nèi)，大粒度(80#)的銑磨工具的加工表面粗糙度值小于小粒度(120#)的銑磨工具.圖6中，120#磨粒的銑磨工具加工得到的表面溝痕較80#磨粒的不平整，滑擦痕跡明顯.銑磨加工窄槽時(shí)去除的材料量大，且形成封閉的空間，銑磨工具易發(fā)生堵塞.小磨粒粒度的銑磨工具的容屑空間小，磨屑不易被排出而造成砂輪堵塞，而且未排出的SiC顆粒進(jìn)一步擦劃，使得表面不平整.

3.2.2 砂輪結(jié)構(gòu)對(duì)表面粗糙度的影響

固定進(jìn)給速度，改變銑磨速度，分別用未開(kāi)槽和開(kāi)槽的電鍍金剛石(文獻(xiàn)［10］中表1的1號(hào)和3號(hào)銑磨工具)進(jìn)行窄槽銑磨實(shí)驗(yàn)，銑磨工具結(jié)構(gòu)對(duì)表面粗糙度的影響如圖3所示，對(duì)應(yīng)的加工表面形貌見(jiàn)圖7.

圖7 不同結(jié)構(gòu)銑磨工具的加工表面形貌

由圖7可知:開(kāi)槽銑磨工具的加工表面粗糙度值大于未開(kāi)槽銑磨工具的加工表面粗糙度值.開(kāi)槽銑磨工具在銑磨加工時(shí)銑磨力波動(dòng)較大，導(dǎo)致一定程度的振動(dòng)，加大了表面粗糙度值.圖7(b)的表面形貌明顯地顯示了表面振動(dòng)波紋.

3.2.3 容屑槽螺旋角對(duì)表面粗糙度的影響

固定進(jìn)給速度，改變銑磨速度進(jìn)行窄槽銑磨實(shí)驗(yàn)，采用銑磨工具的螺旋角分別為40°和50°(文獻(xiàn)［10］中表1的2號(hào)和3號(hào)銑磨工具)，螺旋角對(duì)加工表面粗糙度的影響如圖8所示.

由圖8可知:大容屑槽螺旋角的銑磨工具加工得到的表面粗糙度值小于小容屑槽螺旋角銑磨工具的加工表面粗糙度值，銑磨速度對(duì)表面粗糙度影響不大.現(xiàn)象分析可詳細(xì)參考文獻(xiàn)［11］.從銑磨工具的結(jié)構(gòu)分析看，大螺旋角的螺旋槽在銑磨工具表面上的攀升較為平緩，進(jìn)入磨削區(qū)域時(shí)槽口處的銑磨寬度變化緩慢，產(chǎn)生的銑磨力變化小，沖擊和振動(dòng)也隨之減輕.

圖8 螺旋角對(duì)表面粗糙度的影響

4 結(jié)論

1)實(shí)驗(yàn)研究了銑磨參數(shù)和銑磨工具對(duì)銑磨加工SiCp/Al窄槽時(shí)表面粗糙度的影響規(guī)律.基于此規(guī)律，從減小表面粗糙度值的角度出發(fā)，對(duì)銑磨參數(shù)和所用銑磨工具進(jìn)行優(yōu)選.

2)利用未開(kāi)槽電鍍金剛石砂輪銑磨加工SiCp/Al復(fù)合材料窄槽時(shí)，分別對(duì)銑磨速度和進(jìn)給速度進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，表面粗糙度值隨著銑磨速度的變化呈馬鞍形，先降低后增大，存在一個(gè)臨界速度;表面粗糙度隨著進(jìn)給速度的增大而增大.在實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)(銑磨寬度6 mm)最佳銑磨加工參數(shù)組合是:磨削速度9.42 m/s;進(jìn)給速度20 mm/min.

3)分別使用未開(kāi)槽電鍍金剛石砂輪和螺旋槽電鍍金剛石砂輪進(jìn)行銑磨加工窄槽實(shí)驗(yàn)，并對(duì)測(cè)得的表面粗糙度值進(jìn)行整理分析，發(fā)現(xiàn)在磨粒粒度相同的情況下，未開(kāi)槽砂輪比螺旋槽砂輪加工得到的表面粗糙度小，大螺旋角的螺旋槽砂輪加工得到的表面質(zhì)量要好于小螺旋角的螺旋槽砂輪，即螺旋角為50°的螺旋槽砂輪加工得到的表面粗糙度比40°的要小.

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Experimental research on mill-grinding SiCp/Al narrow slot Part II:surface roughness

LI Jian-guang，YAO Ying-xue，ZHAO Hang，LI Da-bo

(School of Mechatronics Engineering，Harbin Institute of Technology，150001 Harbin，China)

To meet the need on machining SiCp/Al surface with high efficiency and accuracy，with electroplated diamond grinding wheel and taking mill-grinding narrow slot as a typical example，the influence of machining parameters and mill-grinding tool on SiCp/Al machined surface roughness was experimentally investigated.The results show that the machining parameters and mill-grinding tool both have significant influence on the surface roughness.The influence of grinding speed on roughness appears saddle-shaped，i.e.decreased first，then increase while the roughness is increased as federate increasing.The grinding wheel without flutes can produce lower roughness than that with flutes.Therefore，higher grinding speed，lower federate with fluteless grinding wheel are recommended.Under the given experimental conditions，the optimum combination of machining parameters are grinding speed of 9.42 m/s and federate of 20 mm/min.And if a fluted grinding wheel will be applied to machine narrow slot，the recommended helix angle of the flutes is about 50°to achieve lower roughness.

SiCp/Al;mill-grinding;surface roughness;machining parameters;mill-grinding tool

TG506.9

A

0367－6234(2012)09－0057－05

2011－08－10.

教育部博士點(diǎn)基金資助項(xiàng)目(200802130006);2010哈爾濱

市科技創(chuàng)新人才研究專項(xiàng)資助項(xiàng)目(RC2010XK006003).

李建廣(1970—)，男，博士，教授;

姚英學(xué)(1962—)，男，教授，博士生導(dǎo)師.

李建廣，mejgli@hit.edu.cn.

(編輯 楊 波)