連順禹,楊綠,劉沖,吳懷超

貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

1 引言

超聲振動(dòng)輔助磨削具有磨削力小、材料去除效率高、表面粗糙度低和表面損傷小等突出優(yōu)勢,廣泛應(yīng)用于難加工材料的高效精密磨削加工中[1]。超聲振動(dòng)磨削主要是利用附加在砂輪上的超聲振動(dòng)使磨粒與工件表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生改變,增加材料去除行程。另外,超聲振動(dòng)在磨削液中產(chǎn)生的空化效應(yīng)有利于砂輪表面磨粒間磨屑的排出和磨粒黏附物的脫落,從而保持砂輪表面容屑空間和磨粒突出高度的一致性,達(dá)到降低磨削力并提高磨削表面質(zhì)量的作用[2],具有原位修整的特征。

砂輪修整對(duì)于高效精密磨削過程起到至關(guān)重要的作用,國內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了廣泛的研究。焦峰等[3]針對(duì)砂輪修整技術(shù)總結(jié)了三類砂輪修整方式:機(jī)械修整、特種修整、復(fù)合修整,利用第三方工具與設(shè)備對(duì)砂輪形貌等進(jìn)行處理,從而達(dá)到提升修整精度與效率的作用。伍俏平等[4]則利用在線電解修整技術(shù)對(duì)多層釬焊金剛石砂輪表面進(jìn)行修整,使其表面磨粒及時(shí)脫落,最終使磨粒更鋒利。Kitzig H.等[5]研究了小粒度砂輪在超聲振動(dòng)周期內(nèi)的單磨粒磨削加工,從而生成了較多的鋒利切削刃,達(dá)到了對(duì)砂輪修整的效果,在磨削參數(shù)不變的情況下,獲得較低的表面粗糙度。Godino L.等[6]對(duì)氧化鋁陶瓷砂輪磨削磨損前后的形貌參數(shù)進(jìn)行了檢測和比較分析,結(jié)果表明,砂輪表面的形貌參數(shù)Spk,Svk,Sk可以用來表征砂輪的磨損程度。Nguyen A.T.等[7]則對(duì)砂輪表面形貌參數(shù)和磨削表面粗糙度之間的相關(guān)性進(jìn)行了試驗(yàn)研究,結(jié)果表明,砂輪表面形貌參數(shù)Sds,Ssc以及Sq與表面粗糙度相關(guān),證明了砂輪的磨削性能可以用砂輪表面形貌參數(shù)進(jìn)行量化表征。通過總結(jié)國內(nèi)外學(xué)者對(duì)砂輪修整方面的研究可知,為了達(dá)到砂輪“橫密縱疏”的表面效果,大量學(xué)者研究了各種單一或復(fù)合修整方法,也進(jìn)行了形貌參數(shù)相關(guān)的觀察與分析,解釋了不同修整機(jī)理[8]、修整參數(shù)[9]對(duì)修整效果的影響規(guī)律等,在一定程度上提高了砂輪的修整效率及表面質(zhì)量[10]。然而,與普通磨削(TG)相比,超聲振動(dòng)磨削(UVG)方式下砂輪表面形貌參數(shù)的變化規(guī)律研究較少,且缺少超聲振動(dòng)輔助磨削原位修整作用效果量化評(píng)價(jià)參數(shù)方面的研究。

為此,本文對(duì)比了TG和UVG磨削砂輪修整后的形貌參數(shù)變化,并結(jié)合磨削力和磨削表面粗糙度的試驗(yàn)結(jié)果,通過灰色關(guān)聯(lián)法對(duì)砂輪表面形貌參數(shù)與磨削力、表面粗糙度進(jìn)行了關(guān)聯(lián)度分析,最終按關(guān)聯(lián)度排序提出了修整效果評(píng)價(jià)建議指標(biāo)。

2 UVG和TG對(duì)比試驗(yàn)

依托小型立式加工中心V850和自主搭建的超聲振動(dòng)輔助ELID磨削裝置,研究不同磨削深度下UVG和TG磨削力和表面粗糙度的變化規(guī)律。試驗(yàn)工件材料選用M42高速鋼,試驗(yàn)參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)參數(shù)

UVG和TG在不同磨削深度下的磨削力結(jié)果見圖1。由圖可見,隨著磨削深度的增加,UVG和TG的法向和切向磨削力均呈增加趨勢。同時(shí),UVG磨削在1～3μm的磨削深度下法向和切向磨削力均小于TG,且相較于普通磨削下降了約24%。

圖1 不同磨削深度的法向和切向磨削力

在磨削加工后,利用Bruker白光干涉儀分別對(duì)UVG和TG磨削高速鋼軋輥材質(zhì)工件表面形貌進(jìn)行了測量,結(jié)果見圖2,圖中測量區(qū)域尺寸為0.9mm×1.2mm。

(a)UVG

由圖3可知,超聲振動(dòng)磨削(UVG)磨削表面粗糙度在磨削深度1～3μm時(shí)均優(yōu)于普通磨削(TG)。UVG工件磨削力與表面粗糙度較TG均有下降,一方面原因在于磨粒與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生了變化,使切向力分量下降;另一方面在于超聲振動(dòng)在磨削液中產(chǎn)生的空化效應(yīng)[10],有利于磨粒間磨屑和磨粒上的黏附物排出和脫落,從而保持了砂輪表面的容屑空間和磨粒銳性,最終導(dǎo)致磨削力減小。為了揭示超聲振動(dòng)輔助磨削對(duì)砂輪表面形貌的影響,本文對(duì)比研究了超聲振動(dòng)輔助磨削和普通磨削砂輪表面形貌參數(shù)的變化規(guī)律。

圖3 不同磨削深度的高速鋼工件表面粗糙度

3 砂輪修整形貌參數(shù)選取及分析

3.1 表面形貌測量

在進(jìn)行UVG和TG磨削試驗(yàn)后,使用Bruker白光干涉儀分別對(duì)UVG和TG磨削的砂輪表面形貌進(jìn)行了測量(見圖4)。每間隔0.09mm進(jìn)行1次測量,得到10組形貌輪廓數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)平均化處理,最終繪制磨削表面輪廓曲線見圖5。

(a)超聲振動(dòng)磨削

圖5 UVG和TG砂輪表面輪廓和粗糙峰高度分布

超聲振動(dòng)砂輪修整后,不同磨削深度下的砂輪形貌參數(shù)值和TG砂輪形貌參數(shù)值對(duì)比見圖6。由圖6可知,UVG較TG砂輪表面輪廓更低,且峰高平均集中在0～2μm,既保證了工件磨削的表面質(zhì)量,又起到對(duì)砂輪表面進(jìn)行原位修整的作用,具體體現(xiàn)在砂輪表面形貌參數(shù)變化規(guī)律上。選取Sa,Sku,Sq,Ssk,Sk,Spk,Svk,Sds以及Ssc作為評(píng)價(jià)砂輪修整效果的考察參數(shù),各參數(shù)含義見表2。

(a)磨削深度1μm

表2 砂輪形貌參數(shù)定義

由于各形貌參數(shù)數(shù)值量級(jí)不同,采用初值化處理數(shù)據(jù)方法進(jìn)行量綱化處理,其計(jì)算式為

(1)

式中,An和an為量綱化前后的數(shù)據(jù);a0為第一個(gè)數(shù)據(jù),作為參考數(shù)據(jù)。

將普通磨削的砂輪形貌數(shù)據(jù)作為初始數(shù)據(jù),當(dāng)磨削試驗(yàn)深度分別為1μm,2μm,3μm時(shí),測量砂輪形貌參數(shù)值見表3。

表3 TG砂輪表面形貌數(shù)據(jù)

分析圖6可得表4,隨著磨削深度的增加,砂輪表面形貌參數(shù)Sa,Sq,Sk,Spk,Ssc均呈減小趨勢,表明砂輪粗糙峰高降低,原因?yàn)槌曊駝?dòng)作用使得砂輪表面磨粒運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生了變化,并且在磨削過程中較高磨粒更多地參與磨削,更易發(fā)生磨損和脫落,從而使得整體磨粒高度與粗糙峰更加均勻,改善了其表面形貌;相反,參數(shù)Svk,Ssk,Sds,Sku均明顯增大,砂輪表面的容屑空間及單位有效磨粒密度增大,表明超聲振動(dòng)空化效應(yīng)使砂輪表面磨屑最大化被清除,從而提升了砂輪的銳性,達(dá)到了對(duì)砂輪原位修整的效果。

表4 磨削深度與修整參數(shù)變化規(guī)律

分析砂輪修整形貌參數(shù)和磨削力、磨削表面粗糙度之間的變化規(guī)律發(fā)現(xiàn),砂輪形貌參數(shù)受到超聲振動(dòng)的影響使得表面粗糙峰有所降低,隨著磨削過程的進(jìn)行,逐漸鈍化的磨粒又因超聲振動(dòng)作用而脫落或磨損,達(dá)到了對(duì)砂輪修銳的效果;因此超聲振動(dòng)修整后的部分砂輪形貌參數(shù)會(huì)呈現(xiàn)上升或下降的趨勢,故利用砂輪修整形貌參數(shù)來量化說明砂輪的修整效果可行。

3.2 超聲振動(dòng)砂輪修整的評(píng)價(jià)指標(biāo)

通過以上分析可知,UVG磨削力和磨削表面粗糙度較TG均有改善,表明超聲振動(dòng)砂輪修整效果顯著;同時(shí),修整后的砂輪表面形貌也與普通磨削存在明顯差異,因此,通過研究砂輪形貌參數(shù)與磨削力、磨削表面粗糙度之間的關(guān)聯(lián)程度,可將關(guān)聯(lián)度排名前三的形貌參數(shù)作為評(píng)價(jià)砂輪修整效果的指標(biāo)。

灰色關(guān)聯(lián)法可以判斷系統(tǒng)中的多個(gè)因素間的關(guān)聯(lián)程度,通過關(guān)聯(lián)度大小排序,最終得到影響目標(biāo)因素的主次因素。因此,基于砂輪表面形貌參數(shù)較多的特點(diǎn),利用該方法得到上述砂輪表面形貌參數(shù)同磨削力、磨削表面粗糙度之間的關(guān)聯(lián)程度。

將上述砂輪表面形貌參數(shù)作為灰色關(guān)聯(lián)法的原始指標(biāo),式(2)表示在TG和UVG磨削下砂輪表面形貌參數(shù)構(gòu)成的數(shù)學(xué)模型,以此模型作為初始矩陣,對(duì)應(yīng)的磨削力和磨削表面粗糙度構(gòu)成的母序列可表示為

(2)

利用數(shù)值分析軟件進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析,可得到各參數(shù)與磨削力、磨削表面粗糙度之間的關(guān)聯(lián)度大小為

(3)

經(jīng)過灰色關(guān)聯(lián)法數(shù)值分析后得到砂輪表面形貌參數(shù)與磨削力以及表面粗糙度的關(guān)聯(lián)度結(jié)果(見表5)。參考文獻(xiàn)[11]對(duì)關(guān)聯(lián)度強(qiáng)弱的劃分方法,即關(guān)聯(lián)度大于0.5并接近于1時(shí),判定兩個(gè)元素關(guān)聯(lián)性強(qiáng),反之判定為弱或無關(guān)。

表5 關(guān)聯(lián)度排序

由表5分析可知,與法向磨削力Fn、切向磨削力Ft和磨削表面粗糙度Ra關(guān)聯(lián)程度最大的三個(gè)砂輪表面形貌參數(shù)分別為:Spk,Sds,Ssc;Spk,Sds,Ssc;Sq,Sa,Svk。對(duì)于Fn,經(jīng)超聲振動(dòng)砂輪修整后,Spk與Ssc有減小趨勢且呈正相關(guān),Sds有增長趨勢且呈負(fù)相關(guān);對(duì)于Ft,經(jīng)修整后,Spk與Ssc有減小趨勢且呈正相關(guān),Sds有增長趨勢且呈負(fù)相關(guān);對(duì)于Ra,經(jīng)修整后,Sa、Sq與Svk均有減小趨勢且呈正相關(guān)。

由砂輪形貌參數(shù)定義分析,Spk,Ssc,Sa,Sq,Svk各參數(shù)的減小說明超聲振動(dòng)使砂輪表面磨粒運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生了改變,加速較高磨粒的鈍化與脫落,從而使磨粒高度趨于一致且粗糙峰更加均勻,參數(shù)Sds的增加則表示單位面積磨粒密度增加。故綜合超聲砂輪修整前后的形貌參數(shù)變化趨勢和灰色關(guān)聯(lián)分析結(jié)果,最終確定砂輪形貌參數(shù)Spk,Sds,Ssc,Sq,Sa,Svk作為評(píng)價(jià)超聲砂輪修整的指標(biāo)。

4 結(jié)語

(1)本文試驗(yàn)條件下,超聲振動(dòng)磨削較普通磨削的磨削力和表面粗糙度均有明顯下降趨勢,其中,加工表面粗糙度下降的原因在于超聲振動(dòng)改變了砂輪表面形貌,使表面磨粒突出高度分布趨于更集中;磨削力下降的原因是磨粒運(yùn)動(dòng)軌跡的變化與超聲振動(dòng)砂輪修整共同作用的結(jié)果。

(2)與普通磨削的磨削相比,超聲振動(dòng)磨削磨削砂輪參數(shù)代表的表面粗糙峰高度有所降低,砂輪表面容屑空間與單位有效磨粒密度增加。主要原因是超聲振動(dòng)使參與磨削的較高磨粒發(fā)生了磨損與脫附,磨粒間的磨屑與黏附物在空化作用下得以排出,故砂輪表面粗糙峰高度逐漸趨于集中,起到了對(duì)砂輪原位修整的作用。

(3)形貌參數(shù)Sa,Spk,Ssc,Sq,Svk,Sds主要代表砂輪表面粗糙度、粗糙峰和容屑空間,經(jīng)灰色關(guān)聯(lián)法分析表明,形貌參數(shù)Sa,Spk,Sds,Ssc,Sq,Svk可作為評(píng)價(jià)超聲振動(dòng)砂輪修整效果的指標(biāo)。