工程陶瓷內(nèi)圓磨削表面粗糙度研究*

閆海鵬，吳玉厚,b，王 賀,b

(沈陽建筑大學(xué) a.機械工程學(xué)院；b.高檔石材數(shù)控加工裝備與技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，沈陽 110168)

0 引言

工程陶瓷具有在高溫下強度高、硬度大、耐腐蝕、耐磨損等諸多優(yōu)點，是航空技術(shù)、工業(yè)設(shè)備等領(lǐng)域中的重要材料[1-2]。工程陶瓷日益受到廣泛關(guān)注，對其加工表面質(zhì)量要求也越來越高，其一般采用磨削方法加工，但由于其硬脆性，加工過程中容易出現(xiàn)裂紋、崩碎等現(xiàn)象[3-4]。表面粗糙度是表征加工表面質(zhì)量好壞的度量方法之一，而影響表面粗糙度的因素較多[5-6]，如磨削參數(shù)、機床剛度、磨削溫度等。吳玉厚等[7]分析了砂輪線速度、徑向進給速度和軸向振蕩速度對氮化硅陶瓷材料表面粗糙度的影響，但并沒有研究其他因素的影響；YU等[8]研究了磨粒葉序排布與磨削表面粗糙度關(guān)系，得到葉序系數(shù)越大表面粗糙度也越大；郭力等[9]介紹了磨削參數(shù)與磨削溫度的關(guān)系以及它們對加工表面質(zhì)量的影響；程軍等[10-11]討論了微磨削表面質(zhì)量的影響因素，并建立了硬脆材料延性域、脆性域及復(fù)合域臨界條件；此外，還有學(xué)者研究了砂輪振動對表面粗糙度、表面形貌及損傷的影響[12-13]。目前，很少有學(xué)者同時研究更多因素對表面粗糙度的影響。而對于一些預(yù)測表面粗糙度的方法，劉堅等[14]通過圖像質(zhì)量算法實現(xiàn)了磨削表面粗糙度的非接觸測量方式預(yù)測；王海濤等[15]利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對磨削加工表面粗糙度進行預(yù)測，獲得了較好的預(yù)測效果。

在實際加工中，砂輪磨粒大小也是影響加工表面粗糙度的一個重要因素，而在以往的研究中，鮮有報道結(jié)合砂輪粒度研究磨削參數(shù)對工程陶瓷內(nèi)圓磨削表面粗糙度的影響。本文通過進行氮化硅陶瓷內(nèi)圓磨削正交試驗，根據(jù)試驗結(jié)果結(jié)合理論分析砂輪線速度、工件線速度、磨削深度對加工表面粗糙度的影響規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上進一步研究了砂輪粒度單一因素對磨削表面粗糙度的影響，更加準(zhǔn)確地建立了氮化硅陶瓷內(nèi)圓磨削表面粗糙度經(jīng)驗公式預(yù)測模型，為實際加工合理選擇磨削參數(shù)提供了一定參考。

1 內(nèi)圓磨削正交試驗

1.1 試驗材料及設(shè)備

如圖1所示，本文試驗機床為高精度MK2710數(shù)控內(nèi)外圓復(fù)合磨床；砂輪為120#的金屬結(jié)合劑金剛石砂輪，其外徑外55mm，厚度為3mm；磨削工件為氮化硅陶瓷套圈，其內(nèi)徑為65mm，HRC硬度為80Ga。磨削過程中使用的冷卻液為1:20乳化油。

(a) MK2710磨床 (b) 磨削試驗 圖1 試驗機床與磨削示意

1.2 試驗方案

為了研究磨削參數(shù)對氮化硅陶瓷套圈內(nèi)圓磨削表面粗糙度的影響規(guī)律，本文采用正交試驗方案來進行氮化硅陶瓷內(nèi)圓磨削試驗。試驗為3個因素(砂輪線速度vs、工件線速度vw和磨削深度ap)，各因素選取3個水平，共進行9組試驗，正交試驗表如表1所示。

表1 正交試驗表

1.3 試驗結(jié)果

采用如圖2所示的Taylor Hobson粗糙度測量儀測量加工表面的粗糙度值，測量結(jié)果如表1所示。

圖2 粗糙度測量儀

2 試驗結(jié)果分析

由試驗結(jié)果可知，本試驗獲得了表面粗糙度從0.3653μm～0.5424μm的一系列磨削加工表面。進一步分析正交試驗結(jié)果，得到氮化硅陶瓷內(nèi)圓磨削加工表面粗糙度與砂輪線速度、工件線速度以及磨削深度的關(guān)系如圖3所示。

由圖3可知，表面粗糙度隨砂輪線速度的提高而逐漸降低，砂輪線速度由17m/s提高到51m/s過程中，表面粗糙度從0.4965μm下降至0.3881μm，降低了21.83%；而隨著工件線速度的提高，表面粗糙度不斷增大，工件線速度從1200mm/min升高至12000mm/min過程中，表面粗糙度由0.4063μm增大到0.4801μm，增加了18.16%；磨削深度由4μm增大到20μm過程中，表面粗糙度由0.4391μm先是稍有降低，在磨削深度為12μm時，表面粗糙度降至0.4316μm，隨后又呈上升趨勢，最后增至0.4424μm，從數(shù)據(jù)上看，磨削深度的改變對表面粗糙度的影響不是很大，僅升高了0.75%。

(a) 砂輪線速度對表面粗糙度的影響

(b) 工件線速度對表面粗糙度的影響

(c) 磨削深度對表面粗糙度的影響圖3 磨削參數(shù)對表面粗糙度的影響

砂輪線速度的提高，增加了單位時間內(nèi)磨粒切刃的切削次數(shù)，即減少磨粒的單次切削時間，從而減小兩相鄰切刃切除材料后在加工表面留下凸起的高度，且有助于磨削熱量的擴撒，所以會降低表面粗糙度。增高工件線速度與提高砂輪線速度相反，將使兩相鄰切削刃之間切除的材料增多，且在加工表面留下的凸起升高，從而導(dǎo)致表面粗糙度增大。從理論上分析，磨削深度的增加將使同時參與切削的磨粒切削刃增多，導(dǎo)致磨削力增大，切削溫度升高，以至于降低加工表面質(zhì)量。但由試驗結(jié)果來看，雖然整體上表面粗糙度隨磨削深度的增大而增大，但磨削深度的改變對表面粗糙度的影響并不大。這是因為在實際加工過程中，磨削用量是緩慢進給到最終磨削深度的，而并非是直接以磨削深度進行加工。

依據(jù)試驗結(jié)果得到第7組試驗獲得的加工表面粗糙度最小，為0.3635μm。但綜上分析，在本試驗參數(shù)條件下，當(dāng)砂輪線速度vs=51m/s，工件線速度vw=1200mm/min，磨削深度ap=4μm時，理論上可獲得質(zhì)量更好的加工表面。

3 砂輪粒度對表面粗糙度的影響

為進一步分析磨削氮化硅陶瓷加工表面粗糙度的影響因素，在正交試驗基礎(chǔ)上，進行了改變砂輪磨粒粒度號M的單因素試驗。試驗參數(shù)及表面粗糙度測量結(jié)果如表2所示。

表2 砂輪粒度單一因素試驗

圖4為根據(jù)表2試驗結(jié)果繪制的砂輪粒度對表面粗糙度的影響關(guān)系圖。從實驗結(jié)果可知，表面粗糙度隨砂輪粒度號的增大而呈減小趨勢。由于砂輪粒度號越大，磨粒的粒徑尺寸越小，在砂輪表面單位面積上的磨粒個數(shù)越多，磨粒的出刃高度降低，同時，在其他條件不變的情況下，實際參加切削的磨粒數(shù)增多。因此，砂輪粒度號越大，加工表面切痕間距越小，劃痕越淺，從而降低了表面粗糙度，提高了加工表面質(zhì)量。此外，同時參與切削的磨粒數(shù)越多，單個磨粒承受的磨削力就會越小，也有助于提高加工表面質(zhì)量。

進一步分析，表2中當(dāng)采用與正交試驗相同的砂輪粒度，即M為120#時，在砂輪線速度vs=51m/s、工件線速度vw=1200mm/min、磨削深度ap=4μm條件下得到的表面粗糙度為0.3582μm，小于正交試驗獲得的表面粗糙度，這也驗證了第2小節(jié)的綜合分析結(jié)果。

圖4 砂輪粒度對表面粗糙度的影響

4 表面粗糙度預(yù)測模型

4.1 正交試驗經(jīng)驗預(yù)測模型

為了更好地分析磨削參數(shù)對加工表面粗糙度的影響規(guī)律，本文根據(jù)經(jīng)驗公式并結(jié)合正交試驗結(jié)果建立氮化硅陶瓷內(nèi)圓磨削的表面粗糙度預(yù)測模型。模型的因變量為砂輪線速度、工件線速度與磨削深度這3個磨削參數(shù)，具體公式形式如式(1)所示。

(1)

式中，k為機床與砂輪振動、磨削溫度、加工條件等綜合影響系數(shù)，b1、b2、b3分別是各磨削參數(shù)的指數(shù)，其值大小反應(yīng)了各磨削參數(shù)對表面粗糙度的影響程度。

為了便于對經(jīng)驗公式各項系數(shù)進行估計，將式(1)作線性化處理，并利用最小二乘法對參數(shù)估計，得到表面粗糙的經(jīng)驗公式為：

(2)

采用F檢驗方法對式(2)進行顯著性檢驗，得到表面粗糙度經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛽碛泻芨叩娘@著性。式(2)中砂輪線速度的指數(shù)為負，且其絕對值最大，故砂輪線速度的改變對表面粗糙度的影響最大，其增大將降低表面粗糙度。工件線速度對表面粗糙度的影響較小，提高工件線速度導(dǎo)致表面粗糙度增加。磨削深度的指數(shù)最小，雖然增大磨削深度使表面粗糙度整體呈增加趨勢，但表面粗糙度變化很小。這與圖3的分析結(jié)果相一致。

4.2 考慮砂輪粒度的表面粗糙度模型

為了便于分析，這里將砂輪粒度號轉(zhuǎn)換為磨粒直徑來進行計算。采用基于控制篩孔尺寸的磨粒粒徑計算公式如式(3)所示。

da=28·M-1.1

(3)

式中，M為砂輪粒度號。經(jīng)計算得到砂輪粒度號與磨粒粒徑的對應(yīng)關(guān)系如表3所示。

表3 粒度號與粒徑的關(guān)系

在式(2)的基礎(chǔ)上，采用與其相同的計算方法，得到同時考慮砂輪磨粒粒徑、砂輪線速度、工件線速度與磨削深度的表面粗糙度經(jīng)驗預(yù)測模型如式(4)所示。

(4)

經(jīng)檢驗式(4)有較高的顯著性。從式(4)可以看出，表面粗糙度隨磨粒粒徑的增大而增大，這與圖4的分析結(jié)果一致。由式(4)分析，影響表面粗糙度變化大小的順序為砂輪線速度、砂輪粒度、工件線速度、磨削深度。

5 預(yù)測值與試驗結(jié)果比較

為了進一步分析驗證表面粗糙度經(jīng)驗預(yù)測模型的預(yù)測能力及效果，這里將試驗測量值與預(yù)測值進行比較，結(jié)果見表4與圖5。其中表2試驗序號按順序排在正交試驗序號之后。

表4 表面粗糙度預(yù)測值與測量值

圖5 表面粗糙度預(yù)測值與試驗測量值比較

由表4可知，式(2)表面粗糙度預(yù)測值的相對誤差在0.76%～4.98%之間，最大相對誤差不超過5%；式(4)表面粗糙度預(yù)測值的相對誤差在0.36%～10.23%之間，僅第五組超過了10%。因此，表明式(2)與式(4)均有較高的預(yù)測精度與較強的預(yù)測能力。而式(4)考慮了更多的影響因素，具有比式(2)更可靠的預(yù)測結(jié)果。從圖5中亦能看到本文氮化硅陶瓷內(nèi)圓磨削表面粗糙度的經(jīng)驗公式預(yù)測模型具有良好的預(yù)測效果。因此本文表面粗糙度經(jīng)驗公式預(yù)測模型可為分析實際磨削氮化硅陶瓷加工表面質(zhì)量提供了一定的理論參考。

6 結(jié)論

本文進行了氮化硅陶瓷內(nèi)圓磨削正交試驗，依據(jù)試驗結(jié)果分析了砂輪線速度、工件線速度與磨削深度對氮化硅陶瓷內(nèi)圓磨削表面粗糙度的影響規(guī)律，在此基礎(chǔ)上進行砂輪粒度單一因素試驗，研究了砂輪粒度對表面粗糙度的影響，并建立了表面粗糙度的經(jīng)驗公式預(yù)測模型，得到如下結(jié)論：

(1)砂輪線速度是影響氮化硅陶瓷內(nèi)圓磨削表面粗糙度最大的因素，砂輪粒度的影響作用次之，工件線速度的影響效果較小，磨削深度引起的改變最小。選用粒度號較大的砂輪、提高砂輪線速度與減小工件線速度都能夠降低表面粗糙度，而磨削深度的增加整體上使表面粗糙度呈變大趨勢，但改變效果不明顯。

(2)通過正交試驗分析可知，當(dāng)使用120#粒度砂輪磨削時，在砂輪線速度vs=51m/s，工件線速度vw=1200mm/min，磨削深度ap=4μm情況下，理論上可使加工表面有更低的表面粗糙度，更好的表面質(zhì)量，并利用砂輪粒度單一因素試驗對其進行了驗證。

(3)經(jīng)驗公式預(yù)測模型具有較高的預(yù)測效果，本文中考慮砂輪粒度、砂輪線速度、工件線速度和磨削深度對表面粗糙度影響的預(yù)測模型的最大相對誤差為10.23%，能夠很好地根據(jù)磨削參數(shù)在加工前提前預(yù)測加工表面粗糙度，為實際加工合理選擇磨削參數(shù)提供了試驗依據(jù)和參考。

[參考文獻]

[1] 林濱,常志新,張彥斌,等. 工程陶瓷材料磨削表面的損傷表征方法[J]. 天津大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)與工程技術(shù)版),2016,49(7):681-686.

[2] 田欣利,王健全,郭昉,等. 一種基于表面圖像灰度的工程陶瓷粗糙度研究[J]. 機械科學(xué)與技術(shù),2012,31(5):801-805,809.

[3] 龔琪,沈景鳳,謝建林. 工程陶瓷材料的加工技術(shù)及應(yīng)用進展研究[J]. 人工晶體學(xué)報,2016,45(7):1898-1905.

[4] 雷蕾,田欣利,王龍,等. 工程陶瓷的機械加工技術(shù)研究進展[J]. 陶瓷學(xué)報,2016,37(5):460-464.

[5] 尹德臻. 影響磨削表面質(zhì)量的因素及改進措施的探討[J]. 現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備,2012(3):27-29.

[6] 潘秀梅. 影響工件表面質(zhì)量的因素及改進方法[J]. 農(nóng)業(yè)科技與裝備,2014(2):73-74,76.

[7] 吳玉厚,朱正杰,王賀.影響氮化硅陶瓷內(nèi)圓磨削加工表面形貌分析[J]. 沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2014,30(2):312-317.

[8] YuH Y, Wang J, LuY S. Simulation of grinding surface roughnessusing the grinding wheel with an abrasive phyllotactic pattern[J]. The International Journal of AdvancedManufacturing Technology,2016,84(5):861-871.

[9] 郭力,李波,盛曉敏,等. 工程陶瓷磨削溫度研究的進展[J]. 中國機械工程,2007,18(19):2388-2393.

[10] 程軍,鞏亞東,武治政,等. 硬脆材料微磨削表面形成機理試驗研究[J]. 機械工程學(xué)報,2012,48(21):190-198.

[11] 程軍,鞏亞東,閻旭強,等. 硬脆材料微磨削延性域復(fù)合臨界條件建模及試驗研究[J]. 機械工程學(xué)報, 2013,49(23) :191-198.

[12] 畢果,郭隱彪,鄭茂江. 砂輪磨削振動對工件表面形貌特征的影響研究[J]. 機械科學(xué)與技術(shù),2013,32(8):1118-1123.

[13] Chen J B, Fang Q H, Li P. Effect of grinding wheel spindle vibration on surface roughness and subsurface damage in brittle material grinding[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2015, 91:12-23.

[14] 劉堅,路恩會,易懷安,等. 基于圖像質(zhì)量的磨削表面粗糙度檢測[J]. 電子測量與儀器學(xué)報,2016,30(3):374-381.

[15] 王海濤,劉偉強,楊建國. 基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的磨削表面粗糙度預(yù)測模型[J]. 機床與液壓,2014,42(3):107-111.