SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料磨削溫度的研究

李德溥

(哈爾濱商業(yè)大學(xué)輕工學(xué)院，哈爾濱 150028)

顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料具有優(yōu)良的力學(xué)性能，但同時(shí)也是一種典型的難加工材料，難以對(duì)其進(jìn)行后續(xù)加工是這種材料大規(guī)模推廣應(yīng)用的主要障礙［1－3］.目前，切削加工是顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的主要加工方法，但由于大多數(shù)刀具材料的硬度都低于增強(qiáng)顆粒(SiC、Al2O3等)，切削加工中刀具磨損劇烈，造成加工成本過高［4－6］.

磨削是加工金屬和陶瓷材料的重要方法，但應(yīng)用于顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料加工的研究較少，在磨削溫度、磨削加工機(jī)理等方面有待于進(jìn)行系統(tǒng)深入的 研究［7－8］.本文通過人工熱電偶法測(cè)量Al2O24/SiCp復(fù)合材料的磨削溫度，分析加工參數(shù)對(duì)其影響規(guī)律，以及磨削溫度對(duì)加工表面質(zhì)量的影響，為進(jìn)一步深入研究顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料磨削加工技術(shù)及其應(yīng)用奠定基礎(chǔ).

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用人工熱電偶法測(cè)量磨削溫度.實(shí)驗(yàn)時(shí)在工件上加工直徑為3 mm的盲孔，孔底距離被加工表面0.5 mm.將K類熱電偶裝入孔中，保證熱電偶金屬絲與孔底緊密接觸，用室溫固化膠305封閉孔口，如圖1所示.

熱電勢(shì)信號(hào)采集裝置由計(jì)算機(jī)、A/D卡，采集信號(hào)放大電路組成.信號(hào)放大電路如圖2所示，圖中AD623為儀表級(jí)信號(hào)放大器，HY6021為A/D卡.

圖1

實(shí)驗(yàn)材料主要參數(shù)見表1.電鍍金剛石砂輪參數(shù)見表2.

圖2 信號(hào)放大電路

表1 實(shí)驗(yàn)材料的主要參數(shù)

表2 電鍍金剛石砂輪的主要參數(shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 磨削加工溫度影響因素

在磨削加工中，當(dāng)工件材料和砂輪一定時(shí)，影響溫度的主要因素是加工參數(shù)，即磨削深度、砂輪轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度.圖3～5為不同加工條件下，磨削溫度的隨主軸轉(zhuǎn)速(n)、進(jìn)給速度(f)和磨削深度(ap)的變化情況.

從圖3可以看到磨削溫度隨主軸轉(zhuǎn)速的增大而增大.這是因?yàn)?增大砂輪旋轉(zhuǎn)速度，單位時(shí)間內(nèi)工作的磨粒數(shù)量增多，切屑厚度變薄，切削變形能增大，產(chǎn)生更多的熱量.同時(shí)，磨粒與工件之間摩擦加劇，隨著摩擦作用的加劇，熱量傳導(dǎo)到工件的比例增大，也促使工件溫度上升.

圖3 主軸轉(zhuǎn)速對(duì)磨削溫度的影響

增大進(jìn)給速度，磨屑厚度增大，變形力和摩擦力增大，產(chǎn)生更多的熱量，使溫度升高.但是，隨著進(jìn)給速度的增大，熱源在工件表面上作用的時(shí)間縮短，使工件表面溫度有所下降.從圖4可以看出，隨著進(jìn)給速度的增大，磨削溫度有較大的升高，說明隨著進(jìn)給速度的提高產(chǎn)生了更多的熱量，而熱源移動(dòng)速度的影響不大.

圖4 進(jìn)給速度對(duì)磨削溫度影響

從圖5可以看出，隨著磨削深度的增大，加工表面溫度提高.在加工過程中，隨著磨削深度的增加，材料去除量相應(yīng)增大，需要消耗更多的能量.在加工過程中所消耗的能量大部分轉(zhuǎn)化為接觸弧區(qū)內(nèi)的熱量，導(dǎo)致加工溫度升高.

另外，從圖3～5也可以看出，在磨削區(qū)域內(nèi)沿著深度方向溫度的分布特點(diǎn)，即表面溫度明顯高于工件內(nèi)部的溫度，這是因?yàn)槔鋮s液迅速將磨削產(chǎn)生的熱量帶走的緣故.

圖5 磨削深度對(duì)磨削溫度影響

2.2 磨削加工溫度對(duì)表面質(zhì)量影響

磨削加工的表面溫度直接影響加工表面的質(zhì)量，進(jìn)而影響零件的使用性能.從圖3～5可以看到在不同的加工條件下，加工表面的溫度情況(磨削深度接近0時(shí)的磨削溫度).在實(shí)驗(yàn)所采用的加工參數(shù)條件下，最高溫度達(dá)到了700℃以上，最低溫度為90℃左右.

圖6分別為加工表面形貌和化學(xué)元素能譜分析結(jié)果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果是在主軸轉(zhuǎn)速為8000 r/min、進(jìn)給速度為500 mm/min和磨削深度為0.05 mm條件下得到(此時(shí)加工表面溫度為720℃，超過了2024鋁合金的熔融溫度).從圖6中可以看出，在加工表面上鋁基體熔化后重新結(jié)晶，并且加工表面層O2的含量較高，說明加工過程中產(chǎn)生的高溫使表面產(chǎn)生氧化.在本文中的其他實(shí)驗(yàn)下工件已加工表面上未發(fā)現(xiàn)鋁基體熔化后重新結(jié)晶情況，也沒有嚴(yán)重的氧化現(xiàn)象.

圖6 鋁基體重鑄

3 結(jié)論

使用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶測(cè)量距離加工表面不同位置處的磨削加工溫度，研究了加工參數(shù)對(duì)磨削溫度的影響，并分析了加工表面溫度對(duì)表面質(zhì)量的影響，得出以下結(jié)論.

1)磨削溫度隨著主軸轉(zhuǎn)速、磨削深度、進(jìn)給速度的增大而增大.在實(shí)驗(yàn)采用的加工參數(shù)條件下，加工表面最高溫度達(dá)到了700℃以上，最低溫度為90℃左右;

2)應(yīng)選擇合理的工藝參數(shù)以控制加工表面的溫度，避免加工表面發(fā)生鋁基體熔化、重鑄和氧化現(xiàn)象.

3)由于冷卻液的作用，加工表面溫度明顯高于磨削區(qū)域工件內(nèi)部的溫度.

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