梁桂強(qiáng), 周曉勤, 趙菲菲

(1． 吉林大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院， 長春 130022； 2． 昆明理工大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院， 昆明 650500)

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SiCp/Al超聲輔助磨削工藝參數(shù)對(duì)加工表面質(zhì)量影響研究*

梁桂強(qiáng)1, 周曉勤1, 趙菲菲2

(1． 吉林大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院， 長春 130022； 2． 昆明理工大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院， 昆明 650500)

摘要：為了研究磨削工藝參數(shù)對(duì)SiCp/Al復(fù)合材料加工表面質(zhì)量的影響，采用超聲輔助磨削的方法加工SiCp/Al工件?？紤]主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度和磨削深度的常用取值范圍，設(shè)計(jì)了16組實(shí)驗(yàn)，超聲輔助磨削SiCp/Al工件后，測(cè)量了工件的表面粗糙度、表面破碎率、輪廓偏斜度和輪廓陡峭度，分析了3個(gè)工藝參數(shù)對(duì)4個(gè)表面質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響，得到了4組加工工藝參數(shù)的最優(yōu)組合。結(jié)果表明，主軸轉(zhuǎn)速對(duì)4個(gè)參數(shù)的影響程度都最大，4組工藝參數(shù)的最優(yōu)組合相差較大。在所選的工藝參數(shù)范圍內(nèi)，使工件表面粗糙度對(duì)較低的最優(yōu)組合為A4B1C1，即轉(zhuǎn)速為7 000 r/min，進(jìn)給量為10 mm/min，磨削深度為10 μm的磨削工件表面。

關(guān)鍵詞：加工表面質(zhì)量;超聲輔助磨削;工藝參數(shù);SiCp/Al

0引言

SiCp/Al復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、耐高溫、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，因此在航空航天、光學(xué)精密儀器等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。但是SiCp/Al復(fù)合材料中含有難加工的硬脆顆粒，容易導(dǎo)致SiCp/Al工件的加工表面質(zhì)量較差[4-5]。超聲輔助磨削是加工SiCp/Al復(fù)合材料的常用方法，影響工件加工表面質(zhì)量的主要磨削參數(shù)是主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度和磨削深度[6]。研究各磨削參數(shù)對(duì)SiCp/Al復(fù)合材料的影響程度、進(jìn)而確定最優(yōu)的磨削參數(shù)，對(duì)于提高SiCp/Al復(fù)合材料的加工表面質(zhì)量具有重要意義。因此，本文采用超聲輔助磨削的方法加工SiCp/Al工件，研究了主軸轉(zhuǎn)速n、進(jìn)給速度Vf和磨削深度ap對(duì)工件加工表面質(zhì)量(評(píng)價(jià)指標(biāo)為表面粗糙度Sq、表面破碎率Sdr、輪廓偏斜度Ssk、輪廓陡峭度Sku)的影響。

1實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本文實(shí)驗(yàn)的工件為SiCp/Al復(fù)合材料，工件的尺寸為20 mm×15 mm×5 mm。實(shí)驗(yàn)在圖1(a)所示的超聲機(jī)床上開展，該機(jī)床的進(jìn)給分辨率為1 μm，最大超聲加工轉(zhuǎn)速為8 000 r/min，振幅為6～7 μm，頻率為22 500 Hz。實(shí)驗(yàn)刀具選用電鍍金剛石磨輪，直徑為5 mm，刀桿的諧振長度為20 mm，刀具的金剛石粒度為126，金剛石的濃度為100，磨輪如圖1(b)所示。

圖1　實(shí)驗(yàn)機(jī)床及刀具

針對(duì)工件加工表面質(zhì)量的4個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，使用Talysurf CCI Lite白光干涉表面輪廓儀測(cè)量工件的表面粗糙度，使用FEI Quanta200 FEG掃描電子顯微鏡測(cè)量工件的表面破碎率、輪廓偏斜度和輪廓陡峭度等微觀缺陷。

2結(jié)果與討論

2.1實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果

本文以4個(gè)加工表面質(zhì)量參數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)，研究3個(gè)磨削參數(shù)對(duì)工件加工表面質(zhì)量的影響。為了減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)，同時(shí)考慮各磨削參數(shù)的常用取值，設(shè)計(jì)了表1所示的因素水平表。

表1　因素水平表

根據(jù)表1的因素水平表，設(shè)計(jì)了16組實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)方案如表2所示。采用表2的參數(shù)對(duì)工件進(jìn)行超聲輔助磨削后，測(cè)量加工表面質(zhì)量的4個(gè)評(píng)價(jià)參數(shù)，測(cè)量結(jié)果同樣列于表2。

通過對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析，可以求得各因素在各水平的平均值，各水平平均值的大小反映了各因素對(duì)加工表面質(zhì)量的影響程度。通過對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行極差分析，可以得到各因素的極差大小，極差值的大小反映了各因素對(duì)加工表面質(zhì)量的影響程度。極差越大，說明該因素對(duì)加工表面質(zhì)量的影響越大；極差越小，說明該因素對(duì)加工表面質(zhì)量的影響越小。

表2　實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果

2.2表面粗糙度Sq分析

表面粗糙度的分析結(jié)果如表3所示，主軸轉(zhuǎn)速的極差值大于另外2個(gè)因素，說明主軸轉(zhuǎn)速是影響表面粗糙度的最重要因素，進(jìn)給速度次之，磨削深度的影響最小。在所選的工藝參數(shù)范圍內(nèi)，使工件表面粗糙度最低的組合為：主軸轉(zhuǎn)速7 000 r/min，進(jìn)給速度10 mm/min，磨削深度10 μm，采用該組參數(shù)加工的表面形貌如圖2所示。另外，由均值可知，主軸轉(zhuǎn)速越高，工件的表面粗糙度越低。

表3　表面粗糙度結(jié)果分析

圖2最佳表面粗糙度形貌

Fig 2 Best morphology of surface roughness

2.3表面破碎率Sdr分析

表面破碎率的分析結(jié)果如表4所示，主軸轉(zhuǎn)速的極差值大于另外2個(gè)因素，說明主軸轉(zhuǎn)速是影響表面破碎率的最重要因素，進(jìn)給速度次之，磨削深度的影響最小。在所選的工藝參數(shù)范圍內(nèi)，使工件表面破碎率最低的組合為：主軸轉(zhuǎn)速7 000 r/min，進(jìn)給速度10 mm/min，磨削深度30 μm，采用該組參數(shù)加工的表面破碎率形貌如圖3所示。由均值可知，主軸轉(zhuǎn)速越高，工件表面的破碎率越低。

表4　表面破碎率結(jié)果分析

圖3最低表面破碎率形貌

Fig 3 Best morphology of surface breaking rate

2.4輪廓偏斜度Ssk分析

輪廓偏斜度的分析結(jié)果如表5所示，主軸轉(zhuǎn)速的極差值大于另外2個(gè)因素，說明主軸轉(zhuǎn)速是影響輪廓偏斜度的最重要因素，磨削深度次之，進(jìn)給速度的影響最小。在所選的工藝參數(shù)范圍內(nèi)，使工件表面輪廓偏斜度最低的組合為：主軸轉(zhuǎn)速1 000 r/min，進(jìn)給速度70 mm/min，磨削深度50 μm，采用該組參數(shù)加工的輪廓偏斜度表面形貌如圖4所示。由均值可知，主軸轉(zhuǎn)速越低，輪廓偏斜度越低。

表5　輪廓偏斜度結(jié)果分析

圖4最低輪廓偏斜度表面形貌

Fig 4 Best morphology of contour deviation

2.5輪廓陡峭度Sku分析

輪廓陡峭度的分析結(jié)果如表6所示，主軸轉(zhuǎn)速的極差值大于另外2個(gè)因素，說明主軸轉(zhuǎn)速是影響陡峭度的最重要因素，磨削深度次之，進(jìn)給速度的影響最小。在所選的工藝參數(shù)范圍內(nèi)，使工件表面輪廓陡峭度最低的組合為：主軸轉(zhuǎn)速1 000 r/min，進(jìn)給速度70 mm/min，磨削深度50 μm，采用該組參數(shù)加工的輪廓陡峭度表面形貌如圖5所示。由均值可知，主軸轉(zhuǎn)速越低，輪廓陡峭度越低。

表6　加工輪廓陡峭度結(jié)果分析

圖5最低輪廓陡峭度表面形貌

Fig 5 Best morphology of contour sharpness

2.6關(guān)鍵參數(shù)分析

根據(jù)以上分析可知，主軸轉(zhuǎn)速對(duì)4個(gè)參數(shù)的影響程度都最大，進(jìn)給速度對(duì)表面粗糙度和破碎率的影響程度大于磨削深度，而磨削深度對(duì)偏斜度和陡峭度的影響程度大于進(jìn)給速度。由于4組最優(yōu)的參數(shù)組合數(shù)值相差較大，下一步工作將研究超聲輔助磨削工藝的最優(yōu)參數(shù)組合，以期得到理想的加工表面質(zhì)量。

3結(jié)論

(1)考慮主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、磨削深度的常用取值，設(shè)計(jì)了16組實(shí)驗(yàn)，采用超聲輔助磨削的方法加工SiCp/Al工件，測(cè)量了工件的表面粗糙度、表面破碎率、輪廓偏斜度和輪廓陡峭度。

(2)分析了3個(gè)磨削工藝參數(shù)對(duì)4個(gè)工件表面質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響，得到了4組加工工藝參數(shù)的最優(yōu)組合。

(3)4組最優(yōu)的參數(shù)組合數(shù)值相差較大，為了得到理想的加工表面質(zhì)量，后續(xù)工作將研究3個(gè)磨削工藝參數(shù)的最優(yōu)組合方式。

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Influence of ultrasonic assisted grinding parameters on machined surface quality of SiCp/Al

LIANG Guiqiang1，ZHOU Xiaoqin1，ZHAO Feifei2

(1. College of Mechanical Science and Engineering，Jilin University，Changchun 130022，China;2. Faculty of Modern Agricultural Engineering,Kunming University and Technology，Kunming 256603，China)

Abstract:In order to research influence of grinding parameters on machined surface quality of SiCp/Al compound material, SiCp/Al workpieces were ultrasonic assisted grinded. Considering value ranges of spindle speed, feed rate and grinding depth, 16 groups experiments were designed. After ultrasonic assisted grinding SiCp/Al, surface roughness, surface breaking rate, contour deviation and contour sharpness of the workpieces were measured. Influence of the grinding parameters on the machined surface quality parameters were analyzed and 4 groups optimal process parameters were obtained. The results show that, spindle speed influences the machined surface quality greatly and the 4 groups optimal process parameters differ greatly. In order to obtain high surface quality, combination method of the grinding parameters should be further researched.

Key words:machined surface quality; ultrasonic assisted grinding; process parameter; SiCp/Al

DOI:10.3969/j.issn.1001-9731.2016.02.023

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TG663

作者簡介：梁桂強(qiáng)(1976-),男,長春人,博士研究生,講師,從事航空復(fù)合材料超聲輔助磨削研究。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51465009)

文章編號(hào)：1001-9731(2016)02-02112-04

收到初稿日期：2015-12-10 收到修改稿日期：2016-01-20 通訊作者：周曉勤，E-mail: xqzhou@jlu.edu.cn