高 奇 郭光巖 荊小飛 李文博

(遼寧工業(yè)大學(xué)機械工程與自動化學(xué)院，遼寧 錦州 121000)

SiC/AI復(fù)合材料目前被廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天、能源及醫(yī)療等重要工業(yè)部門，由于復(fù)合材料中含有高硬度或高剛性的細(xì)小顆粒，使得材料的硬度和耐磨性得到提高，但同時材料的加工難度也提高。為深入研究SiC/AI復(fù)合材料磨削[1]過程中，試驗數(shù)據(jù)變化對表面粗糙度的影響，對其磨削后的各項數(shù)據(jù)進行試驗研究。

國內(nèi)外許多學(xué)者已經(jīng)利用響應(yīng)曲面法研究了大量具有代表性的可加工材料。姚倡鋒等[2]對超高彈度Aermet100的磨削參數(shù)進行模型預(yù)測，通過對模型進行簡化，建立了非線性回歸方程，分析磨削參數(shù)對磨削結(jié)果的影響規(guī)律。劉偉等[3]對軸承鋼GCr15的高速外圓磨削進行了研究。在多目標(biāo)磨削參數(shù)的情況下，利用Design-Expert軟件確定最佳回歸方程模型，從而獲得最佳結(jié)果，來表征磨削參數(shù)對磨削效果的影響。Krajnik P等[4]基于響應(yīng)面方法對磨削因子進行設(shè)計，并建立二階表面粗糙度模型。通過確定模型的結(jié)構(gòu)和回歸系數(shù)，演繹出準(zhǔn)確模型。Zhou Ming等[5]利用超聲振動輔助磨削SiC/Al復(fù)合材料，并建立力學(xué)模型，通過兩組正交試驗，得到了磨削力模型中的系數(shù)。在力學(xué)預(yù)測模型的基礎(chǔ)上，預(yù)測了磨削力與工藝變量之間的關(guān)系。最后進行了兩組單因素試驗，驗證了所提出的磨削力模型，實驗結(jié)果與預(yù)測結(jié)果吻合較好。DU Jinguang等[6]結(jié)合金剛石顆粒對SiC顆粒的沖擊和擠壓效應(yīng)，討論了相應(yīng)的去除方式及其機理，并通過多種方式去除SiC顆粒，得出結(jié)論：在材料去除過程中被剪切去除的顆粒越多，被破碎的顆粒越少，可以產(chǎn)生更好的加工表面。Li X K等[7]通過模擬砂輪的各個加工步驟，建立了虛擬單層CBN砂輪模型，使磨削過程中對單個晶粒材料去除模式成為可能。通過有限元模擬和響應(yīng)面法(RSM)，研究了晶粒取向?qū)BN晶粒微觀切削性能的影響。結(jié)果表明，單顆粒切削力對磨粒磨損狀態(tài)和取向狀態(tài)很敏感，有較好的取向條件使磨粒微切削獲得最小切削力(40°～60°)。

本文采用響應(yīng)曲面法，對SiC/AI2024復(fù)合材料進行磨削加工，然后通過Smartproof5激光共聚焦顯微鏡來測量材料的表面粗糙度Ra，在建模預(yù)測和試驗結(jié)果相結(jié)合下，闡述主軸轉(zhuǎn)速n、切削速度f和切削深度ap對表面粗糙度Ra的影響程度。

1 磨削試驗

1.1 試件材料

工件材料為SiC/AI2024復(fù)合材料，其碳化硅增強顆粒所占體積比為60%，其硬度極高，加工難度大。試件已加工圖及顯微結(jié)構(gòu)，如圖1所示。試件為矩形塊狀，規(guī)格為40 mm×15 mm×10 mm。工件在室溫(20 ℃)下，楊氏模量為206 GPa，剪切模量為83.1 GPa，密度為2.99 g/cm3，抗彎強度為513 MPa，泊松比為0.24。

1.2 試驗設(shè)備

試驗加工設(shè)備為北京精雕—睿雕Carver400GA數(shù)控機床，通過微徑磨棒對SiC/AI2024進行槽磨[8]試驗。磨棒規(guī)格：磨頭直徑1 mm，柄徑3 mm。磨頭材料為鍍結(jié)金剛石。潤滑裝置為油水氣三相節(jié)能微量潤滑系統(tǒng)—KS-2107。磨削試驗系統(tǒng)如圖2所示，磨削過程：采用磨頭直徑為10 mm的磨棒對材料表面進行預(yù)加工，加工完成后進行換刀(磨頭1 mm)，然后進行13組微磨削試驗。磨削試驗完成后，通過Smartproof5激光共聚焦顯微鏡測量已加工材料的表面粗糙度。

1.3 試驗結(jié)果

本試驗采用單行程磨棒端面磨削，利用Design-Expert軟件中的Box-Behnken Design進行試驗設(shè)計[9]。選取影響表面粗糙度Ra的主要影響因素：主軸轉(zhuǎn)速n，進給速度f，切削深度ap。影響因素參數(shù)取值如表1所示，BBD試驗設(shè)計為13組，試驗方案與結(jié)果如表2所示。

表1 影響因素取值

表2 試驗參數(shù)與表面粗糙度的測量結(jié)果

2 回歸方程的建立及分析

通過軟件進行回歸方程模型[10]的建立，模型如式(1)所示。

(1)

式中：xi表示自變量因子，y表示因變量因子，β0表示常數(shù)項，βi表示一次項相關(guān)系數(shù)，βij表示非線性相關(guān)參數(shù)，βii表示二次項相關(guān)系數(shù)，m表示自變量因子個數(shù)。

對表(2)中的試驗參數(shù)與表面粗糙度的測量結(jié)果進行擬合，并建立預(yù)測模型，從而得到表面粗糙度與主軸轉(zhuǎn)速、進給速度和切削深度之間的關(guān)系如(2)所示。

Ra=-4.74+7.45×10-4n+44.945f+

8.989ap-1.556×10-3nf-1.33×

10-4nap-88.889fapV-2.511E-

(2)

Ra=-4.74+7.45×10-4n+44.945f+

8.989ap+1.556×10-3nf-1.33×

10-4nap-88.889fap-2.511E-08n2

(3)

表3 模型分析

3 試驗結(jié)果分析

3.1 響應(yīng)曲線圖分析

圖3為ap=0.017 5 mm時，主軸轉(zhuǎn)速和進給速度之間交互作用形成的響應(yīng)曲面圖[11]。當(dāng)ap=0.017 5 mm時，Ra最小值為0.51 μm，最大值為0.734 μm。分析圖3得出：(1)當(dāng)進給速度保持不變時，表面粗糙度隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大而增大，但增大趨勢在12 000～15 000 r/min范圍內(nèi)逐漸減緩。(2)當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速保持不變時，表面粗糙度隨進給速度的增加，先減小后增大。(3)主軸轉(zhuǎn)速對表面粗糙度的影響明顯大于進給速度所造成的影響。

圖4為確定ap=0.017 5 mm，n=15 000 r/min，f=0.006 m/min時，Ra為0.708 μm。圖4中黑色部位為顆粒拔出，此部位約占總表面積的30%，被拔出顆粒大小形狀不規(guī)則。極少數(shù)部分為淺黑色，此時表面粗糙度極大，在表面呈刺尖狀突起，推測由于切屑粘結(jié)表面所致?；野咨课徽急容^大，為刀具與材料磨削過程中相互擠壓造成的。

圖5為進給速度f=0.004 5 m/min時，主軸轉(zhuǎn)速和切削深度之間交互作用下形成的響應(yīng)曲面圖。當(dāng)f=0.004 5 m/min時，Ra最小值為0.518 μm，最大值為0.662 μm。分析圖5得出：(1)當(dāng)切削深度保持不變時，主軸轉(zhuǎn)速的增大會導(dǎo)致材料表面粗糙度持續(xù)增大，但其影響程度逐漸減緩。(2)當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速保持不變時，隨切削深度的增大，表面粗糙度的值先增大后減小。(3)主軸轉(zhuǎn)速對表面粗糙度的影響大于切削深度對表面粗糙度所造成的影響；切削深度在與主軸轉(zhuǎn)速交互作用下對表面粗糙度影響極小。

圖6為確定f=0.004 5 m/min，n=15 000 r/min，ap=0.025 mm時，表面粗糙度Ra為0.662 μm。圖6中黑色部位呈現(xiàn)大顆粒拔出或者數(shù)顆顆粒集體拔出，造成該部位凹陷程度加重。與圖4相比，分析原因：在主軸轉(zhuǎn)速不變的情況下，背吃刀量增加，進給量減小可能會造成顆粒被大幅度拔出?；疑课怀释蛊馉?，分析原因：被拔起的顆粒粘結(jié)在已加工材料表面；PCD刀具在高速磨削過程中傾向于經(jīng)歷金剛石-石墨相變，后者粘結(jié)在其表面。

圖7為主軸轉(zhuǎn)速n=13 500 r/min時，進給速度和切削深度之間交互作用形成的響應(yīng)曲面圖。當(dāng)n=13 500 r/min時，Ra最小值為0.647 μm，最大值為0.681 μm。分析圖7得出：(1)當(dāng)切削深度保持不變時，表面粗糙度的值隨著進給速度的增大，先減小后增大，但其影響程度較小。(2)當(dāng)進給速度保持不變時，切削深度的增大會導(dǎo)致表面粗糙度先增大后減小，但變化幅度極小。(3)切削深度對表面粗糙度的影響程度大于進給速度對其造成的影響。

圖8為確定n=13 500 r/min，f=0.004 5 m/min，ap=0.017 5 mm時，表面粗糙度為0.658 μm。與圖4和圖6相比，黑色部位占比明顯增大，拔出顆粒大小較均勻，但顆粒成片拔出，較大地影響表面粗糙度的大小。分析原因：在三參數(shù)值同時降低后，使得磨削過程顆粒所受力較為均勻，導(dǎo)致顆粒拔出的規(guī)律性較好?；疑课蝗詾榧獯虪?，所占比極少，預(yù)測為切屑粘結(jié)在表面所致。

3.2 殘差圖及預(yù)測值與試驗值對比圖分析

基于標(biāo)準(zhǔn)殘差圖[12]對結(jié)果的分析如圖9所示，再利用Design-Expert軟件對磨削試驗結(jié)果進行分析并建立回歸方程，絕大部分點均勻分布在直線上或者直線的兩側(cè)，可得試驗數(shù)據(jù)而建立的回歸方程可行性較好。

圖10以實際值為橫坐標(biāo)，預(yù)測值為縱坐標(biāo)，各數(shù)值點靠近直線分布或者位于直線之上。得出結(jié)論：預(yù)測值與試驗值基本符合回歸方程，模型擬合良好，試驗結(jié)果較成功。

4 結(jié)語

(1)基于所有響應(yīng)曲線圖及等值線進行分析，得出結(jié)論，三因素對表面粗糙度的影響強弱為：主軸轉(zhuǎn)速>切削深度>進給速度。

(2)在保證其他兩個因素不變的情況下，得出如下結(jié)論：隨切削深度的增大，表面粗糙度先增大后減??；隨著進給速度的增大，表面粗糙度先減小后增大；隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大，表面粗糙度也增大。

(3)建立的回歸方程模型可以較為精準(zhǔn)地反映以上3個因素對表面粗糙度的影響，且通過刪除不顯著項，建立的回歸方程更具有說服力。