趙曉燕 齊曉白

（1. 河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 河南南陽(yáng) 473000；2. 河南新天合農(nóng)牧機(jī)械有限公司 河南南召 474650）

以氧化硅、碳化硅等為基體的高溫結(jié)構(gòu)陶瓷具有耐高溫、高剛度和強(qiáng)度、抗腐蝕、低密度等優(yōu)異性能，但這些普通陶瓷在加工和使用過(guò)程中，易產(chǎn)生裂紋和材料斷裂失效，從而產(chǎn)生災(zāi)難性后果。陶瓷基材料是以陶瓷為基體與各種纖維復(fù)合的一種復(fù)合材料，具有耐熱耐高溫、高強(qiáng)度、高韌度、低密度等特性，如連續(xù)碳纖維單向補(bǔ)強(qiáng)的“碳/石英”陶瓷基復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度達(dá)600 MPa，斷裂韌性為熔融石英的12倍；斷裂功為7.9×103 J/m2，較熔融石英高2～3個(gè)數(shù)量級(jí)；密度小于2 g/mm3，與同樣能在高溫下使用的難熔金屬相比，降低了4.5倍，而且在高溫下碳與石英的強(qiáng)度損失小；碳/石英復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)接近于石英陶瓷（0～900℃，0.69×10-6℃，），適合空間技術(shù)對(duì)產(chǎn)品材料性能提出的特殊要求，是理想的航天防熱材料，正日益廣泛地得到應(yīng)用。

目前，陶瓷基復(fù)合材料成型后大都需要機(jī)械加工來(lái)獲得所需要的尺寸精度和表面質(zhì)量，但由于復(fù)合材料具有硬度高、強(qiáng)度大、導(dǎo)熱性差和各向異性的特點(diǎn)，屬于難加工材料。針對(duì)陶瓷基復(fù)合材料難加工的特點(diǎn)，著重研究了磨削參數(shù)對(duì)磨削力的影響，分析磨削參數(shù)對(duì)磨削力的影響規(guī)律，并最終總結(jié)得到磨削力經(jīng)驗(yàn)公式，為實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中磨削力的預(yù)測(cè)和參數(shù)的選取提供參考。

1 試驗(yàn)條件與方法

本試驗(yàn)采用喬福VMC-2000S立式加工中心（如圖1所示），主軸轉(zhuǎn)速范圍為80～8000 rpm；主軸功率18.5 kW，主軸扭矩263 Nm；加工尺寸范圍：（2050×1100×800）mm；進(jìn)給速度 0～8000 mm/min；最小增量0.001mm。在線檢測(cè)磨削力，試驗(yàn)中采用瑞士產(chǎn)KISTLER-9272型測(cè)力儀傳感器，與之匹配的KISTLER 5070A 10100型號(hào)電荷耦合放大器可通過(guò)4個(gè)通道同時(shí)接收來(lái)自測(cè)力儀水平、豎直和軸向以及一個(gè)方向的扭矩，其磨削力測(cè)試系統(tǒng)如圖2所示。

圖1 喬福VMC-2000S立式加工中心

圖2 磨削力測(cè)試系統(tǒng)

試驗(yàn)砂輪選取直徑 Φ150 mm青銅結(jié)合劑80#的金剛石砂輪。

試驗(yàn)材料為“碳—石英”陶瓷基復(fù)合材料，其機(jī)械特性如表1所示。

表1 “碳-石英”陶瓷的機(jī)械特性參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 砂輪轉(zhuǎn)速對(duì)磨削力的影響

圖3為砂輪轉(zhuǎn)速與磨削力的關(guān)系曲線，該組曲線是在固定的工件速度與磨削深度（ap=1mm）情況下，只改變砂輪轉(zhuǎn)速得到的。由圖中不難看出：隨著砂輪轉(zhuǎn)速提高，單位磨削力減小。而隨著進(jìn)給速度增大，單位磨削力略有增加。分析：增加砂輪轉(zhuǎn)速ns，由于單位時(shí)間內(nèi)參加磨削的總磨粒數(shù)增多，使每顆磨粒的切削厚度減小，因此磨削力減小。

圖3 砂輪轉(zhuǎn)速對(duì)磨削力的影響曲線

2.2 磨削深度對(duì)磨削力的影響

圖4為磨削深度與磨削力的關(guān)系，該組曲線是在工件速度和砂輪轉(zhuǎn)速固定的情況下，只改變磨削深度得到的。由圖中不難看出：在其它磨削條件不變的情況下，磨削深度增大，磨削力也隨之增加。分析：增加磨削深度ap時(shí)，不僅使每顆磨粒的切削厚度增大，而且使砂輪與工件的磨削接觸弧長(zhǎng)度增加，同時(shí)參與切削的磨粒數(shù)量增多，因而使磨削力增大。

圖4 磨削深度對(duì)磨削力的影響曲線

2.3 工件進(jìn)給速度對(duì)磨削力的影響

圖5為工件進(jìn)給速度與磨削力的關(guān)系，該組曲線是在磨削深度與砂輪轉(zhuǎn)速固定的情況下，改變工件進(jìn)給速度得到的。由圖中很容易看出：在其它磨削條件不變的的條件下，進(jìn)給速度增大，磨削力也隨之增大。分析：增大工件進(jìn)給速度vw時(shí)，砂輪單位時(shí)間內(nèi)切削余量增大，使每顆磨粒的切削厚度增大，因而使磨削力有增大的趨勢(shì)。在進(jìn)給速度低于200 mm/min時(shí)，進(jìn)給速度對(duì)磨削力的影響不明顯，當(dāng)大于200 mm/min時(shí)，磨削力會(huì)顯著上升，因此進(jìn)給速度不宜高于200 mm/min。

圖5 工件速度對(duì)磨削力的影響曲線

2.4 磨削力的理論計(jì)算式的建立

德國(guó)人 Werner G等在建立磨削力理論計(jì)算式時(shí)，考慮了磨削力在磨削過(guò)程中與動(dòng)態(tài)參數(shù)間的關(guān)系。磨削時(shí)，一個(gè)磨粒切刃的磨削力Fg與切削面積A的關(guān)系如圖6所示，其關(guān)系式為：

圖6 一個(gè)磨粒切刃磨削力與切削面積的關(guān)系

式中：K（N/mm2）為單位切削截面積的磨削力，可理解為微切削狀態(tài)下的比磨削力，其大小取決于被磨工件材料；指數(shù)n反映了磨粒切削過(guò)程中變形力和摩擦力所占的比例，n =1時(shí)，可理解為純剪切變形過(guò)程，n=0時(shí)，可理解為純摩擦過(guò)程；n值趨近于零，則說(shuō)明摩擦力部分占總磨削力的比例增加。

磨削力理論計(jì)算式可利用圖6所示的關(guān)系建立。

得到的單位寬度法向磨削力的計(jì)算式為：

式中：

由式(1)可知，ε、γ值取決于指數(shù)n、α以及β。α和β與磨粒在砂輪圓周表面上的分布有關(guān)，理論上可取0＜α，β<1；指數(shù)n也取在該范圍內(nèi)。因此，磨削力計(jì)算式中的指數(shù)γ及ε在理論上可取為：

因此式（1）也可用當(dāng)量磨削厚度aeq及砂輪與工件速度比q表示。

由于則有

若對(duì)式（2）的磨削力理論計(jì)算式加以變換，則可分別建立平面磨削、切入外圓磨削以及緩進(jìn)給磨削的磨削力計(jì)算式。

平面磨削de=ds，則有：

切入外圓時(shí)，則有：

緩進(jìn)給磨削時(shí)，假定單位寬度金屬切除率常數(shù)，則磨削力計(jì)算式為：

2.5 磨削力的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算式建立

磨削力的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算式是先用測(cè)力儀器實(shí)測(cè)磨削力，再利用概率統(tǒng)計(jì)法中的回歸分析和方差分析，進(jìn)行多因素試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理后建立。由于取得參數(shù)和試驗(yàn)方法不完全相同，因此所建立的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方式會(huì)不完全一致，但幾乎都是以磨削條件的冪指數(shù)函數(shù)的形式來(lái)表示的。

本次磨削試驗(yàn)采用了分別改變?nèi)齻€(gè)磨削因子磨削深度ap，砂輪線速度vs，工作進(jìn)給速度vw的方法進(jìn)行試驗(yàn)的。

切削力的經(jīng)驗(yàn)公式多設(shè)定為指數(shù)形式，如：

對(duì)公式求數(shù)得到：

可變?yōu)椋?/p>

在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中采用三元線性回歸，即用最小二乘法估計(jì)參數(shù)，求得回歸方程。并采用MATLAB編程計(jì)算，可得出青銅80＃砂輪磨削碳/石英復(fù)合材料經(jīng)驗(yàn)公式：

上面給出的經(jīng)驗(yàn)公式可為實(shí)際生產(chǎn)中選用磨削參數(shù)提供磨削力計(jì)算參考。

校正R判定系數(shù)是判斷線性回歸直線擬合度的重要指標(biāo)，R判定系數(shù)越接近1說(shuō)明擬合效果越好。含K量對(duì)切削力F的相關(guān)系數(shù)為vk，越接近1說(shuō)明擬合效果越好。校正R判定系數(shù)值和K的相關(guān)系數(shù)為R=0.9616，vk=0.9672。系數(shù)R和K值均大于 0.9，線性回歸效果較好。

3 結(jié)語(yǔ)

本文主要討論了直徑 Φ150 mm青銅結(jié)合劑80＃的金剛石砂輪，在不同工藝參數(shù)下磨削力的變化規(guī)律。結(jié)論如下：

（1）隨著砂輪轉(zhuǎn)速提高，即線速度的提高，單位時(shí)間內(nèi)參加磨削的總磨粒數(shù)增多，使每顆磨粒的切削厚度減小，磨削力有下降的趨勢(shì)，在24 m/s～54 m/s范圍內(nèi)下降趨緩。

（2）增加磨削深度時(shí)，不僅可使每顆磨粒的切削厚度增大，而且也使砂輪與工件的磨削接觸弧長(zhǎng)度增加，同時(shí)參與切削的磨粒數(shù)量也增多，因而使磨削力增大。切削深度在1 mm～2 mm范圍內(nèi)磨削力上升較快。

（3）增大工件進(jìn)給速度時(shí)，砂輪單位時(shí)間內(nèi)切削余量增大，因而使磨削力有增大的趨勢(shì)。在進(jìn)給速度小于200 mm/min時(shí)，進(jìn)給速度對(duì)磨削力的影響不明顯，當(dāng)進(jìn)給速度大于200 mm/min時(shí)，磨削力顯著上升，因此進(jìn)給速度不宜高于200 mm/min。

（4）青銅80＃砂輪磨削碳/石英陶瓷基復(fù)合材料經(jīng)驗(yàn)公式：

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