韓 濤，李頌華,，孫 健，吳玉厚，王維東

(沈陽(yáng)建筑大學(xué) a.機(jī)械工程學(xué)院；b.高檔石材數(shù)控加工裝備與技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng) 110168)

0 引言

工程陶瓷材料由于其優(yōu)異的耐磨損、耐腐蝕、耐高溫、高硬度、高強(qiáng)度、低密度、低膨脹系數(shù)等許多優(yōu)良特性，在機(jī)械、電子、化工、軍事、航空航天、生物工程等領(lǐng)域得到十分廣闊的應(yīng)用前景；并被公認(rèn)為21世紀(jì)最有活力的新型材料之一[1-4]。HIPSN陶瓷為共價(jià)化合物，以Si3N4為主要成分，Si3N4為主晶相，具有很高的共價(jià)鍵能，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定[5-6]。另一方面，由于陶瓷的硬脆特性，使其成為典型的難加工材料，從而成為阻礙其發(fā)展的“瓶頸”，所以對(duì)其加工機(jī)理以及加工技術(shù)的研究遠(yuǎn)不如金屬材料普遍和深入[7-9]。磨削力在磨削過程中是一個(gè)非常重要的因素，但是磨削力的大小不能直接調(diào)控，只能通過改變加工工藝參數(shù)來使其改變，比如砂輪線速度、磨削深度、工件進(jìn)給速度[10-13]。以往磨削力的研究大多是在濕磨的條件下開展的，而對(duì)干磨時(shí)磨削力的研究還不夠充分。為此筆者以HIPSN陶瓷為研究對(duì)象，在干/濕磨兩種條件下，改變砂輪線速度、磨削深度、工件進(jìn)給速度等工藝參數(shù)，開展了大量的磨削工藝實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析了以上工藝參數(shù)對(duì)磨削力的影響規(guī)律，對(duì)HIPSN陶瓷平面磨削加工工藝的優(yōu)化以及生產(chǎn)實(shí)踐提供一定的參考價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 試件

所選用的試件為HIPSN陶瓷毛坯，試件的幾何尺寸見表1，試件的綜合性能見表2。

表1 HIPSN陶瓷試件的幾何參數(shù)

1.2 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)采用ORBIT36CNC平面磨床，如圖1所示。該設(shè)備的性能指標(biāo)見表3。實(shí)驗(yàn)選用金剛石砂輪，砂輪的性能指標(biāo)見表4。實(shí)驗(yàn)采用水基磨削液,流量為80L/min。

1.3 測(cè)量?jī)x器

磨削力的測(cè)量采用瑞士Kistler9257B三向平面測(cè)力儀，如圖2所示。該儀器有測(cè)力平臺(tái)，信號(hào)處理器和信號(hào)放大器三部分組成，可以對(duì)磨削過程中多個(gè)方向的力進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，采集數(shù)據(jù)后通過DynoWare軟件進(jìn)行處理分析，最后得到磨削力的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖1 ORBIT36CNC平面磨床工作臺(tái)

圖2 Kistler9257B平面測(cè)力儀

表2 HIPSN陶瓷試件的綜合性能

表3 ORBIT36CNC平面磨床性能指標(biāo)

表4 實(shí)驗(yàn)用金剛石砂輪性能指標(biāo)

2 HIPSN陶瓷試件平面磨削正交實(shí)驗(yàn)

2.1 方案設(shè)計(jì)

在HIPSN陶瓷試件平面磨削實(shí)驗(yàn)中，所涉及的主要加工工藝參數(shù)為：砂輪線速度、磨削深度、工件進(jìn)給速度。為提高效率，現(xiàn)選用三因素三水平L9(33)正交實(shí)驗(yàn)[14]，研究在干/濕磨條件下，以上工藝參數(shù)對(duì)磨削力的影響規(guī)律。為研究冷卻液對(duì)磨削力的影響，采用相同的工藝參數(shù)先后對(duì)同一試件在干/濕磨兩種情況下進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。由于機(jī)床冷卻系統(tǒng)的供液壓力較高會(huì)對(duì)工件產(chǎn)生一定的沖擊力，因此濕磨時(shí)的磨削力測(cè)量結(jié)果應(yīng)減去相同工況下光磨時(shí)的磨削力測(cè)量結(jié)果作為最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果。正交實(shí)驗(yàn)的因素和水平如表5所示，正交實(shí)驗(yàn)方案與結(jié)果如表6所示。

2.2 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)正交試驗(yàn)表的對(duì)稱性原理，建立干/濕磨時(shí)Fn、Ft回應(yīng)表，得出各個(gè)參數(shù)對(duì)磨削力的影響情況，如表7、表8所示。

表5 正交實(shí)驗(yàn)的因素和水平

表6 正交實(shí)驗(yàn)安排與結(jié)果

表7 干磨時(shí)Fn、Ft回應(yīng)表

表8 濕磨時(shí)Fn、Ft回應(yīng)表

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 不同工藝參數(shù)對(duì)磨削力的影響

磨削力隨砂輪線速度的變化情況如圖3所示，由圖可知，干/濕磨時(shí)法向、切向磨削力均隨砂輪線速度的提高而降低。其中法向磨削力的下降趨勢(shì)相對(duì)明顯，切向磨削力的下降趨勢(shì)相對(duì)緩和。通過理論分析可知，在磨削深度、工件進(jìn)給速度一定的條件下，隨著砂輪線速度的提高，單顆磨粒單次磨削厚度減少，單顆磨粒所受的磨削力減小，因此法向、切向磨削力均呈下降趨勢(shì)。

圖3 磨削力隨砂輪線速度的變化情況

磨削力隨磨削深度的變化情況如圖4所示，由圖可知，干/濕磨時(shí)法向、切向磨削力均隨磨削深度的增大而增大，其中法向磨削力的上升幅度較大；切向磨削力的上升幅度較小。這是由于在砂輪線速度、工件進(jìn)給速度一定的條件下，隨著磨削深度的增加，單顆磨粒單次磨削厚度增加，同時(shí)砂輪與工件的接觸弧長(zhǎng)增加，使單位時(shí)間內(nèi)單位磨削區(qū)域內(nèi)的有效磨粒數(shù)增加，從而使法向、切向磨削力均增大。

圖4 磨削力隨磨削深度的變化情況

磨削力隨工件進(jìn)給速度的變化情況如圖5所示，由圖可知，干/濕磨時(shí)法向、切向磨削力均隨工件進(jìn)給速度的增大而增大。其中干磨時(shí)法向磨削力的上升幅度最大，濕磨時(shí)法向磨削力在工件進(jìn)給速度大于3000mm/min后趨于平緩；干磨時(shí)切向磨削力的上升幅度較小，濕磨時(shí)的切向磨削力變化不大。因?yàn)樵谏拜喚€速度、磨削深度一定的條件下，隨著工件進(jìn)給速度的增加，單顆磨粒單次磨削厚度增大，導(dǎo)致單顆磨粒所受的磨削力變大，同時(shí)單位時(shí)間內(nèi)單位磨削區(qū)域內(nèi)的有效磨粒數(shù)增加，所以使法向、切向磨削力均增大。

圖5 磨削力隨工件進(jìn)給速度的變化情況

3.2 磨削力比的計(jì)算與分析

磨削力比是評(píng)價(jià)該材料可磨性程度的一個(gè)重要指標(biāo)，對(duì)磨削加工有很大的參考意義。磨削力比較大，則說明該材料磨削時(shí)的可磨性較差，磨削后的表面質(zhì)量也不容易掌控；磨削力比小，則說明該材料的可磨性較好，磨削后的表面質(zhì)量較容易掌控。磨削力比的計(jì)算公式為：Fn/Ft。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)，計(jì)算出各組實(shí)驗(yàn)的磨削力比，如圖6所示。

圖6 干/濕磨情況下的磨削力比

由圖6可知，濕磨時(shí)的磨削力比遠(yuǎn)大于干磨時(shí)的磨削力比，即干磨時(shí)HIPSN陶瓷材料的可磨性更好。金剛石砂輪與工件在劃擦和耕犁過程中消耗的能量幾乎全部轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，在無冷卻液的條件下，產(chǎn)生的熱量聚集在磨削區(qū)，使加工表面溫度迅速升高。工件材料因高溫而軟化，提高了HIPSN陶瓷材料的斷裂韌性，增加了HIPSN陶瓷材料塑性去除所占的比例，因此干磨時(shí)的磨削力比小，可磨性更好。

圖7 干/濕磨情況下的法向磨削力

由圖7可知，干磨時(shí)的法向磨削力較小，濕磨時(shí)的法向磨削力較大，同樣是因?yàn)楣ぜ牧弦蚋邷囟浕垢赡r(shí)的法向磨削力較小。

3.3 比磨削能的計(jì)算與分析

比磨削能是評(píng)價(jià)磨削過程所消耗的能量的一個(gè)重要指標(biāo)[15]，它是指磨削單位體積材料所消耗的能量。比磨削能大則說明消耗的能量多，比磨削能小則說明消耗的能量少，它與陶瓷材料的去除機(jī)理密切相關(guān)。計(jì)算公式為：

式中,e為比磨削能(J/mm3)；Ft為切向磨削力(N)；vs為砂輪線速度(m/s)；vw為工件進(jìn)給速度(mm/min)；ap為磨削深度(mm)；b為砂輪寬度(mm)。

由圖8可知，干磨時(shí)的比磨削能均大于濕磨時(shí)的比磨削能，即干磨時(shí)要消耗更多的能量。HIPSN陶瓷在磨削加工中以脆性斷裂和塑性變形兩種去除機(jī)理為主，以脆性斷裂方式去除材料所消耗的能量很少，以塑性變形方式去除材料時(shí)消耗的能量較多。因?yàn)楦赡r(shí)HIPSN陶瓷材料塑性去除所占的比例增加，消耗的能量增多，所以干磨時(shí)的比磨削能較大。

由圖9可知，干磨時(shí)的切向磨削力均大于濕磨時(shí)的切向磨削力，由于干磨時(shí)消耗的能量較多，因此在砂輪線速度、磨削深度、工件進(jìn)給速度一定的條件下，單顆磨粒劃過單位距離所需要的力更大，同時(shí)干磨時(shí)沒有冷卻液的潤(rùn)滑，所以干磨時(shí)的切向磨削力較大。當(dāng)干磨、砂輪線速度為30m/s、磨削深度為0.015mm、工件進(jìn)給速度為5000mm/min時(shí)，切向磨削力最大。

圖8 干/濕磨情況下的比磨削能

圖9 干/濕磨情況下的切向磨削力

4 結(jié)論

(1)相同參數(shù)下，濕磨時(shí)的法向磨削力均大于干磨時(shí)的法向磨削力，濕磨時(shí)的切向磨削力均小于干磨時(shí)的切向磨削力。濕磨時(shí)的磨削力比均大于干磨時(shí)的磨削力比，濕磨時(shí)的比磨削能小于干磨時(shí)的比磨削能。在當(dāng)前實(shí)驗(yàn)條件下，干磨時(shí)的磨削力更有助于高精度表面質(zhì)量的形成。

(2)平面磨削時(shí)，法向磨削力、切向磨削力均隨砂輪線速度的增大而減小，隨磨削深度的增大而增大，隨工件進(jìn)給速度的增大而增大。

(3)濕磨時(shí)各參數(shù)對(duì)法向、切向磨削力影響的主次順序?yàn)椋耗ハ魃疃?、砂輪線速度、工件進(jìn)給速度。干磨時(shí)各參數(shù)對(duì)法向、切向磨削力影響的主次順序?yàn)椋耗ハ魃疃取⒐ぜM(jìn)給速度、砂輪線速度。