SiCp/AI復(fù)合材料磨削力實驗分析*

石 莉 周 麗 許立福 黃樹濤

（沈陽理工大學(xué)機械工程學(xué)院，遼寧沈陽 110168）

碳化硅顆粒增強鋁基復(fù)合材料（SiCp/Al）具有比強度和比剛度高、熱膨脹系數(shù)小、導(dǎo)熱性能好、輕量化等優(yōu)異的力學(xué)物理性能，是新型復(fù)合材料中研究最多、潛在應(yīng)用前景最廣的復(fù)合材料之一。由于SiCp/Al復(fù)合材料具有高的比強度和比模量，同時又具有接近于零的熱膨脹系數(shù)和良好的尺寸穩(wěn)定性，因此在航天、汽車交通領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。

由于SiCp/Al復(fù)合材料中含有硬度大、強度高、磨蝕性強的SiC顆粒，屬于典型的難加工材料，在切削加工時刀具磨損嚴重，大大縮短了刀具使用壽命，限制了切削速度和加工效率的提高，難以實現(xiàn)批量生產(chǎn)，嚴重制約了SiCp/Al復(fù)合材料的推廣應(yīng)用。為了實現(xiàn)SiCp/Al復(fù)合材料的高效率加工，國內(nèi)外專家學(xué)者進行了大量相關(guān)研究。高速及超高速磨削由于能夠?qū)崿F(xiàn)降低磨削力，提高磨削表面質(zhì)量，成為磨削發(fā)展的一個趨勢［1］。

本文在實驗的基礎(chǔ)上對金剛石砂輪精密磨削SiCp/Al復(fù)合材料的磨削力進行探討性的研究。

1 實驗條件及方法

1．1 實驗條件

（1）磨削設(shè)備 實驗采用杭州機床廠生產(chǎn)的MG7132型高精度臥軸矩臺平面磨床，主要參數(shù)如下:加工范圍（長 ×高 ×寬，1 000 mm×320 mm×400 mm）;機床總功率8.2 kW，轉(zhuǎn)速3 000 r/min。

（2）砂輪 金剛石砂輪，砂輪粒度W28，砂輪外徑300 mm，內(nèi)徑75 mm，寬度32 mm。

（3）實驗材料 CY1110型SiCp/Al基復(fù)合材料，其力學(xué)物理特性如表1所示。

（4）測量裝置 大連理工大學(xué)傳感測控研究所開發(fā)的YDX－III9702型壓電式銑削測力儀。

表1 SiCp/Al力學(xué)物理特性

（5）磨削條件 平面磨削（逆磨），磨削液為KL－603防銹磨削液;砂輪轉(zhuǎn)速3 000 r/min，砂輪直徑ds為300 mm，故砂輪速度為vs=π·ds·n/（60×1 000）=π ×300×3 000/（60×1 000）=47 m/s;磨削深度 ap為1 ～5 μm;工件進給速度 vw為4 m/min、8 m/min、12 m/min、21 m/min、29 m/min。

1．2 磨削實驗

MG7132型高精度臥軸矩臺平面磨床砂輪主軸只有一種轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速為3 000 r/min固定不變，因此本實驗只研究磨削深度和工件進給速度對磨削力的影響。實驗用砂輪出廠時已經(jīng)做了嚴格的靜平衡和動平衡，為了排除實驗過程中砂輪磨損的影響，每組磨削實驗在砂輪修銳后進行。在每組實驗完成后對砂輪進行修銳可以達到比較好的實驗效果。

2 磨削力信號分析

磨削力反映磨削過程的基本特征，是研究磨削過程的重要參數(shù)，它反映了磨削區(qū)內(nèi)砂輪與工件的相互作用，直接關(guān)系著磨削過程中材料的去除機理、工件的磨削質(zhì)量以及砂輪的磨損情況，為便于分析問題，磨削力可分為相互垂直的3個分力，即沿砂輪切向的切向磨削力Fy，沿砂輪徑向的法向磨削力Fz以及沿砂輪軸軸向的軸向磨削力 Fx。一般情況下，F(xiàn)z＞Fy＞Fx，由于Fx對于磨削的影響較小，故不做分析［2］。

2．1 磨削力信號的時域分析

時域信號是指在測量過程中獲得的，沒有經(jīng)過處理的原始信號，時域波形直觀、易于理解，但時域信號中包含大量的干擾信號。圖1是在砂輪速度vs=47 m/s，磨削深度 ap=1 μm，工件速度 vw=4 ～29 m/min條件下，切向力Fy和法向力Fz磨削力的時域圖。

從圖1可以看出，進給速度從4 m/min增加到29 m/min，切向磨削力和法向磨削力都增大，但增大的幅度不同。

2．2 磨削力信號的小波分析

磨削是復(fù)雜的切削過程，磨削力在測量過程中受到多種因素的干擾，因此僅對磨削力進行時域分析是不夠的。時域反映了信號隨時間歷程的變化趨勢，但很難將有效的磨削力信號和干擾信號區(qū)分開來，也難于確定信號的頻域結(jié)構(gòu)。小波分析在時域和頻域同時具有良好的局部分析特性，適合非平穩(wěn)信號的分析和處理，對信號的分解和重構(gòu)無冗余、無泄漏，信號的信息量是完整的。

應(yīng)用選定的dB4小波對磨削力信號進行3層分解，根據(jù)Mallat算法可求出第N層的逼近部分A和各層細節(jié)部分D。復(fù)合材料基體組織中含有大量的SiC顆粒，為了研究金剛石砂輪在磨削基體組織和SiC顆粒時動態(tài)磨削力的變化情況，實驗采取了較高的采樣頻率30 000 Hz，奈奎斯特頻率為15 000 Hz，分解后各逼近部分和細節(jié)部分的頻率范圍為:d1（15 000～7 500 Hz）、a1（0 ～7 500 Hz）、d2（7 500 ～3 250 Hz）、a2（0 ～3 250 Hz）、d3（1 625～3 250 Hz）、a3（0～1 250 Hz）。圖2為在砂輪速度vs=47 m/s，磨削深度ap=1 μm，工件速度vw=4 m/min條件下，法向力Fz小波系數(shù)分解圖。

從圖2可以看出，近似部分a3的系數(shù)較大，細節(jié)部分d3、d2和d1系數(shù)較小，因此細節(jié)部分對磨削力信號影響較小，通過能量分析證實a3的能量占磨削力信號總能量的95%以上，因此只對a3部分進行信號重構(gòu)。

按相同的方法對其他參數(shù)下的磨削力信號進行處理。圖3為小波濾波后重構(gòu)磨削力信號的時域圖。

從圖3可以看出，砂輪速度、磨削深度、磨削寬度等條件不變，工件的進給速度增加，法向磨削力Fz和切向力Fy都有一定程度的增大。單顆磨粒的最大切入深度 g 為［3］

式中:a為砂輪連續(xù)切刃間隔;vw為工件進給速度;vs為砂輪速度;ap為磨削深度;ds為砂輪直徑。

本實驗砂輪速度vs、砂輪直徑ds固定不變;砂輪粒度一定，a值不變。由式（1）知，單顆磨粒的最大切入深度與工件進給速度和磨削深度有關(guān)。隨工件進給速度增加，工件單位長度上磨削的磨粒數(shù)減少，單顆磨粒的最大切入深度和金屬切除量都增大，單顆磨粒的負荷也增大，磨削力增大，法向磨削力和切向磨削力都增大，但不是成比例地增大，因為隨著進給速度的增加，比磨削能消耗增加，熱源強度隨之增大，砂輪和工件接觸區(qū)的瞬間溫度增高，基體組織軟化，切削力減小。經(jīng)分析其他磨削參數(shù)下測得的實驗數(shù)據(jù)知，隨著磨削深度的增加，磨削力增大，工件的塑性變形程度增大，但磨削力增大的速度減慢，說明進給速度對磨削力的影響大于磨削深度對磨削力的影響。磨削力動態(tài)力的時域波形在一定的進給速度范圍內(nèi)，隨進給速度的變化不大，近似規(guī)律性的正弦波，隨著進給速度的繼續(xù)增加，波形規(guī)律性減弱，通過分析其它磨削參數(shù)條件下的磨削力時域圖，發(fā)現(xiàn)磨削力及其波形具有類似的變化規(guī)律，并且隨著磨削深度的增加，這種規(guī)律性減弱。因為隨著進給速度和磨削深度的增加，單顆磨粒的最大切入深度增加，由于SiCp/Al復(fù)合材料含有大量的SiC顆粒，SiC顆粒具有高模量、高強度、高硬度（2 800 HV），單顆磨粒的負荷隨之增加較大，這樣引起砂輪磨粒的磨損、鈍化及脫落，引起切削力的變化和系統(tǒng)的振動，因此動態(tài)磨削力也不穩(wěn)定，其波形規(guī)律性減弱［3－4］。

2．2．1 重構(gòu)信號磨削力比的分析

磨削力比是評價材料磨削性能的指標，是磨削加工中的一個重要數(shù)據(jù)，它可間接地說明砂輪工作表面磨粒的鋒利程度，指法向磨削力Fz和切向磨削力Fy的比值，即:

由于砂輪具有較大的負前角，F(xiàn)z大于Fy，所以Cf＞1。影響磨削力比Cf因素很多，不僅與砂輪的材質(zhì)和被磨材料的特性有關(guān)，Cf的數(shù)值還與磨削方式有關(guān)［5－6］。

本文是在砂輪材質(zhì)、被磨削工件特性和磨削方式及砂輪速度vs不變的條件下，研究了隨著磨削深度、工件進給速度的變化，磨削力比Cf的變化，圖4為磨削力比Cf隨磨削深度ap、工件進給速度Vw的變化情況，圖中Cf數(shù)值由實驗測得信號經(jīng)小波濾波后，計算重構(gòu)信號Fz、Fy的均值，代入公式（2）得出。從圖中可以看出，不同的工件進給速度和磨削深度，磨削力比不同，變化范圍為3.16～7.79。隨著工件進給速度和磨削深度的增大，磨削力比減小，并且隨工件進給速度的增大而減小更明顯，主要是由于隨著工件進給速度的提高，單顆磨粒磨削厚度增加。單顆磨粒的負荷增大，這樣加劇了磨粒的磨耗與磨損，使磨粒鈍化，甚至磨粒脫落，使切削力和摩擦力都增大，從而磨削力增加，因此法向磨削力Fz和切向力磨削力Fy都增大。由于法向磨削力Fz增大，摩擦力也增加，摩擦力在磨削力中比例增加，使切向磨削力Fy相對增加得多，因此磨削力比Cf減小。磨削力比的變化反映了金剛石砂輪在磨削SiCp/Al復(fù)合材料過程中，不同磨削參數(shù)下磨粒鋒利的程度，磨削力比大，磨粒鋒利，磨削表面質(zhì)量好;磨削力比小，磨粒鈍化，磨削力急劇增加，砂輪磨損加快，系統(tǒng)振動增大，噪聲加大，工件表面粗糙度值增大，表面質(zhì)量變差。磨削表面SEM掃描圖象顯示，有的SiC顆粒與基體處出現(xiàn)微裂紋，有的整個顆粒被拔出，出現(xiàn)孔洞。同時，磨削力比也是反映工件磨削性能的重要參數(shù)。圖4反映了在給定的磨削條件下，SiCp/Al復(fù)合材料磨削力比隨磨削參數(shù)的變化情況。應(yīng)根據(jù)實驗，優(yōu)化磨削參數(shù)，提高磨削質(zhì)量。

3 結(jié)語

使用金剛石砂輪在給定的磨削參數(shù)條件下磨削SiCp/Al復(fù)合材料，實驗研究發(fā)現(xiàn):

（1）在砂輪速度為47 m/s時，進給速度是影響磨削力的主要因素，磨削深度次之，隨著進給速度和磨削深度的增加，動態(tài)法向磨削力和切向磨削力幅值都增大，但前者增加的幅值更大;動態(tài)磨削力波形規(guī)律性減弱。

（2）不同的工件進給速度和磨削深度，磨削力比不同，變化范圍為3．16～7．79。隨著工件進給速度和磨削深度的增大，磨削力比減小，并且隨工件進給速度的增大而減小更明顯。

（3）磨削力比由大變小，一定程度上說明材料的去除機理發(fā)生改變，材料主要以非彈性塑性變形方式去除，局部發(fā)生碎性脆斷。

［1］周家林，黃樹濤，許立福，等．SiCp/Al復(fù)合材料高速切削的研究現(xiàn)狀［J］．工具技術(shù)，2008，42（7）:3．

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