航天用SiCp/Al復合材料衛(wèi)星輸出軸精密磨削工藝研究

關佳亮,趙顯輝，任 勇，孫曉楠，陳 玲

(1.北京工業(yè)大學 機械工程與應用電子技術學院，北京 100124 ；2.北京衛(wèi)星制造廠，北京 100094)

航天用SiCp/Al復合材料衛(wèi)星輸出軸精密磨削工藝研究

關佳亮1,趙顯輝1，任 勇1，孫曉楠1，陳 玲2

(1.北京工業(yè)大學 機械工程與應用電子技術學院，北京 100124 ；2.北京衛(wèi)星制造廠，北京 100094)

針對48%體積比SiCp/Al復合材料衛(wèi)星專用輸出軸的超精密加工難題，采用ELID精密磨削技術對其進行了工藝實驗研究。首先，通過建立切入磨粒磨削模型，得到了48%體積比SiCp/Al復合材料的磨削機理及影響因素。然后探究了不同電火花參數(shù)對砂輪修整形貌的影響，并采用極差分析探究了各因素對工件磨削質量影響程度的大小。研究表明，當砂輪轉速為1500r/min，進給量0.25μm，進給速度0.9m/min，電解電流10A，占空比60%時，磨削質量最好，得到了表面粗糙度Ra0.096μm，圓柱度0.85μm的48%體積比SiCp/Al復合材料輸出軸精密磨削表面。

SiCp/Al復合材料；ELID精密磨削技術；工藝參數(shù)；正交試驗

0 引言

SiCp/Al復合材料具有優(yōu)良的力學性能和穩(wěn)定的物理、化學性能，耐腐蝕、耐熱、耐磨、高比強和高比模，尺寸穩(wěn)定性好，熱膨脹系數(shù)小，在航天國防領域具有重大應用[1-2]。針對SiCp/Al復合材料的超精密加工，國內外學者進行了大量的研究。 Dabade UA等人研究了SiCp/Al復合材料的切削機理，認為切削速度較低時只形成針狀、分段的切屑，而在高速時會形成連續(xù)或半連續(xù)甚至螺旋狀切削，依據(jù)切削機理進行了精密切削，得到了高精度加工表面；MR Jadhav等人采用超聲加工和電火花加工相結合的方法，對SiCp/Al復合材料進行了超精密高效加工，大大提高了加工效率；葛英飛等人也做了研究顆粒增強鋁基復合材料加工表面質量影響因素的實驗，結論表明，在試驗條件下，加工表面粗糙度Ra隨碳化硅顆粒體積分數(shù)含量的增加而顯著增大[3]。北京衛(wèi)星制造廠某衛(wèi)星專用二代二期天線關鍵零件輸出軸選用48%體積比SiCp/Al復合材料，采用專用PDC對其進行精密車削，但加工中普遍出現(xiàn)了刀具磨損嚴重、切削力增加、崩角開裂嚴重等現(xiàn)象，難以保證零件尺寸、形位精度及表面質量要求，圖1為輸出軸樣件。

本文采用ELID精密超精密磨削技術，對48%體積比SiCp/Al復合材料進行了磨削實驗，在切入磨粒磨削模型的理論指導下，通過正交試驗探究了磨削參數(shù)對樣件加工質量的影響，得到最優(yōu)磨削工藝參數(shù)，解決了制約航天型號研制生產(chǎn)的共性瓶頸技術難題，滿足型號需求。

1 ELID精密磨削成型機理

圖2為ELID精密超精密磨削原理圖，ELID磨削系統(tǒng)采用鑄鐵基金屬結合劑金剛石砂輪，具有導電性，將砂輪與ELID專用脈沖電源正極相連，負極與專用電極相連，在電極和砂輪之間噴有專用電解磨削液，從而形成一個閉合回路。磨削過程中，砂輪作為陽極發(fā)生電解作用，砂輪表層的鑄鐵基體溶解從而露出內部嶄新鋒利的金剛石磨粒，從而完成砂輪的自修銳過程；同時電解作用還會在砂輪表面形成一層氧化鈍化膜，覆蓋在鑄鐵基體表面，防止砂輪過度電解，并且還對金剛石復合片起到研磨作用。隨著金剛石磨粒不斷被磨除，鈍化膜被金剛石復合片刮除，鑄鐵基體將繼續(xù)被電解，砂輪重新被修銳。整個過程循環(huán)進行，使得砂輪時刻保持最佳磨削狀態(tài)[4-5]。

圖1 輸出軸樣件圖 圖2 ELID原理圖

2 切入磨粒磨削模型建立

為了探究影響48%體積比SiCp/Al復合材料磨削質量的因素，本文建立了切入磨粒磨削模型。如圖3所示，將砂輪和樣件磨削位置放大，可以簡化成一個磨粒相對樣件表面作切入運動。剛開始由于切削厚度很小，磨粒僅使樣件表面發(fā)生彈性變形(圖中AB間)。隨著切削厚度逐漸增大，工件表面由彈性變形過渡到塑性變形(圖中BC間)，磨粒由滑擦轉為耕犁，在工件表面耕犁出溝痕，溝痕兩側金屬滑移隆起。當切削厚度繼續(xù)增大時，切削變形層的滑移剪切變形不斷增加，磨粒壓破樣件表面(圖中CD間)，最終形成切屑并沿磨粒前刃面流出(圖中DE間)。因此，磨粒切削樣件時經(jīng)歷了滑擦、耕犁和切削的過程，從而使工件表面形成熱應力與變形應力。由此可見，ELID磨削工藝系統(tǒng)中的砂輪形貌質量、電解參數(shù)和磨削參數(shù)對磨削質量起決定因素[6-7]。

圖3 切入磨粒磨削模型

3 超硬磨料砂輪修整

在精密磨削加工中，工件的加工精度和表面質量很大程度上取決于砂輪表面形貌的好壞，試驗采用外形尺寸φ350×φ31.75×10，金剛石濃度為100%，粒度為W40的鑄鐵結合劑超微細粒度砂輪，通過電火花在位精密整形裝置對其進行修整，采用三維表面粗糙度儀對修型后的砂輪表面形貌進行分析[8]。本文開展了脈沖占空比、脈沖電壓、脈沖電流等參數(shù)對砂輪表面形貌的影響分析研究，參數(shù)如表1所示，得到的砂輪表面形貌如圖4所示。

表1 電火花試驗參數(shù)組合

(a) 電火花修整裝置 (b)占空比 20%，電壓90V，峰值電流10A

(c)占空比 40%，電壓90V， (d) 占空比 60%，電壓90V，

(e) 占空比20%、電壓 60V、 (f)占空比20%，電壓60V，峰值電流5A 峰值電流10A圖4 不同脈沖參數(shù)下的砂輪三維表面形貌

試驗結果表明，增加脈沖電壓、電流和占空比，電火花放電間隙增大，都可以加快腐蝕速度，提高效率。對比圖4b、4c、4d和圖5a四個圖，發(fā)現(xiàn)在相同脈沖電壓和電流情況下，增大占空比會加大腐蝕程度，降低砂輪表面精度，20%占空比時最好；對比圖4e、4f圖5b三個圖，發(fā)現(xiàn)在相同脈沖電壓和占空比情況下，增大脈沖電流會使得砂輪表面精度先升高再降低，10A脈沖電流時最好；對比圖4b、4f和圖5c三個圖，發(fā)現(xiàn)在相同脈沖電流和占空比情況下，增大脈沖電壓會使得砂輪表面高度差先降低再升高，60V脈沖電壓時最好。當采用20%占空比，60V脈沖電壓，10A的脈沖電流時砂輪會得到最好的整形效果。

(a)占空比變化的影響

(b)脈沖電流變化的影響

(c)脈沖電壓變化的影響圖5 不同脈沖參數(shù)對砂輪表面高度差的影響

4 加工工藝優(yōu)化試驗

4.1 試驗指標和因素水平的確定

圓柱度和表面粗糙度是衡量輸出軸是否合格的重要因素，因此本文選用輸出軸的圓柱度和表面粗糙度作為試驗指標。前期實驗確定了砂輪轉速為1500r/min時，磨削效果最好[9]。在此基礎上，結合切入磨粒磨削模型理論，將磨削深度、工件移動速度、電解電流和占空比為本試驗的試驗因素，進行四因素正交試驗，各因素均取三個水平，四因素三水平表見表2所示。

表2 四因素三水平編碼表

4.2 試驗條件與方案

采用四因素三水平的正交試驗表 L9(34)設計實驗，并且按照此表設計的參數(shù)進行48%體積比SiCp/Al復合材料輸出軸磨削加工試驗。正交試驗以德國威利.戈貝爾外圓磨床(GRS II-1250-DK)為平臺，采用本實驗室成熟的ELID超精密磨削工藝系統(tǒng)及修整好的專用鑄鐵結合劑超微細粒度砂輪進行試驗。分別運用“Talyrond 365圓柱度儀”和“TR300粗糙度形狀測量儀”測量輸出軸的圓柱度和表面粗糙度值R，具體正交試驗設計表與試驗結果見表3。

表3 正交試驗設計表與試驗結果

4.3 磨削機理分析

通過正交試驗得出，各磨削因素對工件表面粗糙度和圓柱度的影響程度，如圖6所示?？梢钥闯?，表面粗糙度和圓柱度隨著進給量的增大而增大，當進給量為0.25μm時，磨削效果最好。這是因為當進給量減小時，磨削力變小，磨削力與砂輪徑向力合力減小，從而表面粗糙度值和圓柱度值變小；當進給量增大時，磨削力大，工件偏心大，故表面粗糙度值和圓柱度值都增大。另外，表面粗糙度和圓柱度隨進給速度的增大而呈上升趨勢，這是由于：一方面，當增大進給速度時，會使單顆磨粒未變形切削厚度加大，單顆磨粒的磨削力增大，總磨削力增大，根據(jù)壓痕斷裂力學理論，將導致SiC顆粒脆性斷裂產(chǎn)生破碎去除，工件表面磨削質量變差，從而導致表面粗糙度和圓柱度增大；另一方面，增大進給速度使得磨粒的磨削力增大，磨削時在工件表面留下的劃痕增大而且磨粒留下的軌跡密度降低，從而工件表面粗糙度和圓柱度增大。此外，表面粗糙度隨著電解電流和占空比的增大而先減小后增大，這是因為電解電流和占空比的增大會使金剛石砂輪的鐵基結合劑電解速度加快，使磨鈍的磨粒脫落、鋒利的新磨粒露出速度加快，砂輪的容屑空間也增大，從而提高了砂輪的磨削性能，降低了工件磨削表面的粗糙度和圓柱度，但繼續(xù)增大會導致砂輪基體過度電解，磨料過度脫落，砂輪的磨削性能就會下降，并且會加劇砂輪的損耗[10-13]。

圖6 不同磨削因素對工件精度的影響

4.4 試驗結果與分析

(1)確定試驗因素的優(yōu)水平和最優(yōu)水平組合。分析A(進給量)因素各水平對試驗指標的影響。由表3可以看出，A1的影響反映在第1、2、3號試驗中，A2的影響反映在第4、5、6號試驗中，A3的影響反映在第7、8、9號試驗中。

A因素的各水平所對應的表面粗糙度指標之和為KA1=Y1+Y2+Y3=163+145+105 =413，kA1=138；KA2=447，kA2=149；KA3= 53，kA3=179。由于kA1

(2)確定因素的主次順序。根據(jù)極差Rj的大小，可以判斷各因素對試驗指標的影響主次。極差Rj計算結果見表3，比較各R值大小，可見RA>RB>RD>RC，所以各試驗因素對表面粗糙度及圓柱度影響的主次順序是ABDC。即進給量影響最大，其次是進給速度和占空比，而電解電流的影響較小。

根據(jù)正交試驗我們得到48%體積比SiCp/Al復合材料ELID磨削的最優(yōu)工藝參數(shù)為砂輪轉速1500r/min，進給量0.25μm，進給速度0.9m/min，電解電流10A，占空比60%。

(3)試驗驗證。采用上邊優(yōu)化出的最佳工藝參數(shù)組合進行輸出軸磨削工藝試驗，得到了表面粗糙度Ra=0.096μm，圓柱度為0.85μm的精密磨削表面，滿足圓柱度優(yōu)于3μm，Ra優(yōu)于0.2μm的技術指標。

5 結論

(1)通過ELID磨削系統(tǒng)電火花在位精密整形裝置對外形尺寸φ350×φ31.75×10，金剛石濃度為100%，粒度為W40的鑄鐵結合劑超微細粒度砂輪進行修整，得到當采用20%占空比，60V脈沖電壓，10A的脈沖電流時砂輪會得到最好的整形效果。

(2)通過正交試驗極差法可知，在砂輪轉速為1500r/min條件下，各因素對48%體積比SiCp/Al復合材料輸出軸ELID磨削質量影響程度由大至小為：進給量、進給速度、占空比、電解電流。

(3)采用ELID精密磨削工藝系統(tǒng)，當砂輪轉速為1500r/min，進給量0.25μm，進給速度0.9m/min，電解電流10A，占空比60%時，得到了表面粗糙度Ra0.096μm，圓柱度0.85μm的48%體積比SiCp/Al復合材料輸出軸精密磨削表面，滿足航天要求。

[1] 于曉琳.高體積分數(shù)SiCp/Al復合材料精密磨削機理及表面評價研究[D].沈陽：沈陽工業(yè)大學，2012.

[2] 聶云峰.SiCp顆粒增強鎂基復合材料彈塑性研究[D].蘭州：蘭州理工大學理學院，2012.

[3] 呂道駿.鋁基碳化硅復合材料加工技術發(fā)展研究[J].電子機械程,2011,27(5):29-32.

[4] 周曙光，關佳亮，郭東明,等.ELID鏡面磨削技術綜述[J].制造技術與機床，2001(2):38-40.

[5] 關佳亮，郭東明，袁哲俊.ELID鏡面磨削中砂輪生成氧化膜特性及其作用的研究[J].機械工程學報，2000,36(5):89-91.

[6] 姚英學，李德溥，袁哲俊.顆粒增強鋁基復合材料在銑磨加工中砂輪磨損機理與銑磨力研究[J].機械制造，2006,44(5)：25-27.

[7] MR Jadhav. Experimental Study of Surface Integrity of Al/SiC Particulate Metal-matrix Composites in Hot Machining[J] Procedia CIRP, 2016, 41:914-919.

[8] 余劍武,何利華,黃帥,等.電火花修整超硬磨料砂輪技術發(fā)展現(xiàn)狀[J].中國機械工程，2015,26(16):2254-2262.

[9] 關佳亮，朱磊，陳玲,等.SiCp/Al復合材料的ELID精密加工工藝[J].北京工業(yè)大學學報，2015,41(6):823-829.

[10] 王曉飛,李志峰,王高勇,等.漸開線螺旋齒輪成形磨削砂輪的修整[J].組合機床與自動化加工技術,2015(4):132-134.

[11] UA Dabade，SS Joshi.Analysis of chip formation mechanism in machining of Al/SiCp metalmatrixcomposites[J]JournalofMaterialsProcessingTechnology,2009,209(10):4704-4710.

[12] 王濤.高體積分數(shù)SiCp/Al復合材料高速銑削基礎研究[D].北京：北京理工大學，2015.

[13] 劉曉,袁峰,尹春暉,等.高體積分數(shù)SiCp/Al復合材料航天結構件的銑磨加工[J].航天制造技術，2015(2):5-8,22.

(編輯 李秀敏)

Research on Precision Grinding Technology of Aerospace SiCp / Al Composites in Satellite Output Shaft

GUAN Jia-liang1,ZHAO Xian-hui1, REN Yong1,SUN Xiao-nan1,CHEN Ling2

(1.College of Mechanical and Electronic Application, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China;2.Beijing Satellite Factory, Beijing 100094, China)

In view of 48% by volume of SiCp / Al composites satellite dedicated output shaft ultra-precision processing problem, ELID precision grinding processing technology is used to carry on precision grinding experimental study for it. First, by establishing cutting-abrasive grinding model, the grinding mechanism and influencing factors of 48% by volume SiCp / Al composites was obtained. Then explored the different EDM parameters affect the morphology of Dresser and used range analysis to study the impact of various factors on the size of the prototype grinding quality. Studies show that when the wheel speed is 1500r / min, feed rate is 0.25μm, feed speed is 0.9m / min, the electrolytic current is10A, 60% duty cycle, the grinding quality is best and obtained surface roughness Ra0.096μm, CYL 0.85μm of 48% by volume of SiCp / Al composite output shaft precision grinding surface.

SiCp/Al composite material; ELID precision grinding technology; process parameters; orthogonal test

1001-2265(2017)02-0146-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.02.038

2016-03-11；

2016-04-14

關佳亮(1964—)，男，北京工業(yè)大學教授，博士后，研究方向為超硬、硬脆、復合材料等難加工材料的精密超精密鏡面磨削加工技術，(E-mail)guanjl@bjut.edu.cn。

TH161;TG506

A