基于綜合評(píng)價(jià)的SiCp/Al 磨削表面質(zhì)量試驗(yàn)

趙旭，鞏亞東，張偉健，韓冰

（1.東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，沈陽 110819；2.遼寧科技大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 鞍山 114051）

顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料SiCp/Al 具有高強(qiáng)度-質(zhì)量比、高耐磨耐腐蝕性、高熱導(dǎo)率和低膨脹系數(shù)等優(yōu)異的性能，應(yīng)用于交通運(yùn)輸、航空航天、先進(jìn)武器系統(tǒng)、光學(xué)精密儀器及電子行業(yè)等高技術(shù)領(lǐng)域。但是由于堅(jiān)硬脆性增強(qiáng)顆粒SiC 和軟質(zhì)塑性基體Al 在力學(xué)屬性方面存在顯著差異，導(dǎo)致其加工性較差，屬于典型的難加工材料，特別是應(yīng)用于光學(xué)結(jié)構(gòu)件、電子封裝材料的高體積分?jǐn)?shù)的SiCp/Al，阻礙了其廣泛應(yīng)用，因此對(duì)此類材料的加工性能開展深入研究具有重要意義[1-5]。

由于高硬度脆性SiC 顆粒導(dǎo)致車削、銑削過程中刀具磨削加劇和加工表面缺陷激增，磨削因其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)成為可以創(chuàng)成SiCp/Al 高質(zhì)量加工表面的有效加工方法。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)SiCp/Al 復(fù)合材料磨削進(jìn)行了相關(guān)的研究，鄭偉等[6]通過仿真研究SiCp/Al 復(fù)合材料磨削表面缺陷形成機(jī)理，SiC 顆粒破碎和剝離基體是表面缺陷形成的主要原因。葉鵬等[7]通過單顆粒磨削仿真分析了SiC 顆粒去除方式和表面缺陷成因，并通過單因素和正交試驗(yàn)分析加工參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響規(guī)律。ILIO 等[8]的研究結(jié)果表明，普通磨料砂輪比超硬磨料砂輪具有更好的磨削性能，砂輪切削性能降低的主要原因是砂輪工作表面堵塞，而不是由硬脆SiC 顆粒引起的磨粒鈍化。THIAGARAJAN等[9]對(duì)SiCp/Al 復(fù)合材料的外圓磨削性能進(jìn)行了研究，得出磨削參數(shù)和SiC 顆粒含量對(duì)磨削力、表面粗糙度的影響規(guī)律。KUMAR 等[10]對(duì)不同類型砂輪開展磨削參數(shù)對(duì)磨削力和比磨削能影響規(guī)律的研究，結(jié)果表明隨著切削深度和工件進(jìn)給速度的增加，磨削力遞增，但比磨削能遞減。GU[11]、YIN[12]和LU[13]基于單磨粒建立SiCp/Al 磨削或磨孔的磨削力預(yù)測(cè)模型。DU 等[14]通過單顆粒劃痕仿真揭示加工過程中增強(qiáng)顆粒和鋁基體對(duì)SiCp/Al 復(fù)合材料表面成形機(jī)制的影響，研究結(jié)果表明較小的切削深度或較大切削速度可以產(chǎn)生相對(duì)較光滑的加工表面。LI 等[15]和YAO 等[16]針對(duì)具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)和曲面的顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件精密加工難題，提出一種新的加工方式—銑磨，即將磨具安裝到加工中心或銑床上，該加工方法兼具銑削加工路徑和磨削特性。相關(guān)學(xué)者已對(duì)顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料銑磨加工性能開展研究[17-20]。ZHU 等[21]和ZHANG[22]通過表面輪廓儀和SEM 觀測(cè)SiCp/Al磨削表面形貌，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立表面粗糙度預(yù)測(cè)模型，對(duì)表面形貌特征進(jìn)行了分析。ZHENG 等[23]研究了SiCp/Al 復(fù)合材料超聲振動(dòng)輔助磨削的表面粗糙度，結(jié)果表明影響表面粗糙度的主要因素是主軸轉(zhuǎn)速，其他依次是振動(dòng)幅值、切削深度和進(jìn)給速度。LIANG 等[24]分析了電鍍金剛石砂輪磨削SiCp/Al 復(fù)合材料的表面形貌，通過三維輪廓平方根偏差、破碎比和分型數(shù)來評(píng)估表面形貌，試驗(yàn)表面超聲振動(dòng)輔助磨削表面質(zhì)量?jī)?yōu)于傳統(tǒng)磨削。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)SiCp/Al 復(fù)合材料磨削加工的磨削力、表面形貌以及工藝參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響規(guī)律等方面進(jìn)行了卓有成效的研究，研究成果普遍認(rèn)識(shí)到SiC 增強(qiáng)顆粒是影響SiCp/Al 復(fù)合材料磨削表面質(zhì)量的重要因素，磨削參數(shù)中進(jìn)給速度越大，則表面質(zhì)量越差。這些研究的優(yōu)點(diǎn)在于通過表面形貌分析SiCp/Al 復(fù)合材料磨削表面缺陷產(chǎn)生的原因，為后續(xù)抑制表面缺陷磨削加工研究奠定基礎(chǔ)。然而，目前SiCp/Al 復(fù)合材料磨削加工表面質(zhì)量研究多以金屬材料的常規(guī)表面粗糙度指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)[25]，其無法真實(shí)反映其特殊表面形貌、缺陷等，且磨削工藝參數(shù)耦合分析的研究報(bào)道較少。本文以SiCp/Al 磨削加工表面缺陷為基礎(chǔ)，提出基于多指標(biāo)的粗糙度綜合指標(biāo)為主、表面形貌為輔的表面質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)方法。在此基礎(chǔ)上，采用全因子試驗(yàn)方法分析低、高進(jìn)給速度工況下主軸轉(zhuǎn)速和磨削深度對(duì)表面質(zhì)量的影響規(guī)律和交互效應(yīng)。

1 SiCp/Al 磨削加工的表面缺陷

理論上，當(dāng)磨削深度足夠小時(shí)，少缺陷的加工表面創(chuàng)成是可以實(shí)現(xiàn)的[26]。根據(jù)本課題組的前期研究成果[27]，當(dāng)磨削深度超過臨界值時(shí)，低強(qiáng)度SiC-Al 界面和SiC-Al 變形不匹配誘發(fā)多種表面缺陷，通過蔡司Ultra Plus 場(chǎng)發(fā)射掃面電鏡（ZEISS，耶拿，圖林根州，德國(guó)）進(jìn)行表面缺陷觀測(cè)。例如SiC-Al 界面脫粘（圖1a 標(biāo)記Ⅰ）、SiC 顆粒突出加工表面（圖1d標(biāo)記Ⅵ）和SiC 顆粒陷入加工表面（圖1d 標(biāo)記Ⅶ）。SiC 顆粒脆性斷裂后，未被排出的碎片引起多種表面缺陷，一些SiC 碎片由于砂輪磨粒向前推擠作用下在磨削表面留下微小劃痕（圖1b 標(biāo)記Ⅱ）；當(dāng)SiC 顆粒的一部分被去除，而一部分碎片殘留在原位時(shí)，則形成了包含殘留SiC 碎片的凹坑（圖1c 標(biāo)記Ⅲ）；當(dāng)作用于SiC 顆粒的應(yīng)力極高時(shí)，形成包含粉碎化SiC 碎片的凌亂表面（圖1c 標(biāo)記Ⅳ）。較大的磨削深度將導(dǎo)致SiC-Al 界面脫粘和Al 基體畸變加劇，導(dǎo)致磨削表面形成近似垂直于磨削方向的橫向大裂紋（圖1d 標(biāo)記Ⅴ），其中圖1d 中圓點(diǎn)標(biāo)記的是SiC 顆粒。

圖1 SiCp/Al 磨削表面的典型缺陷Fig.1 Typical defects of SiCp/Al grinded surface

2 SiCp/Al 表面質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)方法

由SiCp/Al 復(fù)合材料磨削加工表面缺陷可知，其加工表面存在隨機(jī)的、無序的和多尺度的各類缺陷，傳統(tǒng)表面粗糙度評(píng)價(jià)加工表面質(zhì)量是不完善的[25]。本文提出基于多指標(biāo)表面粗糙度（算術(shù)平均粗糙度Ra、破碎面積比Sdr、最大峰高Rp、最低谷深Rv、偏斜度Ssk、峭度Sku）為主、表面形貌為輔的表面質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)方法，建立更為合理的SiCp/Al 加工表面質(zhì)量評(píng)價(jià)體系。多指標(biāo)表面粗糙度是定量指標(biāo)，表面形貌是定性指標(biāo)。Ra是常規(guī)表面粗糙度指標(biāo)，Sdr表征表面破碎率，Rp表征SiC 顆粒突出加工表面的最大值，Rv表征裂紋、空洞等的最大深度，Ssk表征加工表面輪廓凹凸幅，Sku表征表面輪廓變化的尖銳度（若Sku>3，說明表面輪廓較尖銳；若Sku<3，說明表面輪廓較平坦）。粗糙度的多指標(biāo)通過數(shù)據(jù)min-max 標(biāo)準(zhǔn)歸一化和等權(quán)重加和方法轉(zhuǎn)化為粗糙度綜合指標(biāo)SR，即：

式中：SR 為粗糙度綜合指標(biāo)；i為試驗(yàn)編號(hào)；j為粗糙度單一指標(biāo)的編號(hào)；X*為粗糙度單一指標(biāo)的歸一化數(shù)據(jù)；X為Ra、Sdr、Rp、Rv、Ssk和Sku的原始數(shù)據(jù)；Xmin為粗糙度單一指標(biāo)在32 個(gè)樣本中的最小值；Xmax為粗糙度單一指標(biāo)在32 個(gè)樣本中的最大值。

3 SiCp/Al 復(fù)合材料端面磨削試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

圖2 試驗(yàn)條件Fig.2 Experimental conditions: (a) THU ULTRLSONIC 850 precision machine tool; (b) abrasive and dynamometer; (c) SiCp/Al specimens; (d) VK-X 3D laser scan microscope system

圖3 SiCp/Al 復(fù)合材料的金相圖Fig.3 Metallography of the SiCp/Al composite

3.2 試驗(yàn)方案

為了反映試驗(yàn)因素的交互耦合作用，采用全因子試驗(yàn)方法，試驗(yàn)因素是進(jìn)給速度vf、磨削深度ap和主軸轉(zhuǎn)速ns。根據(jù)相關(guān)研究可知，進(jìn)給速度遞增必然導(dǎo)致加工表面質(zhì)量降低[16]。為了減少試驗(yàn)次數(shù)，vf采用2 水平（低、高進(jìn)給速度），ap和ns采用4 水平，試驗(yàn)方案如表1 所示。

表1 SiCp/Al 磨削全因子試驗(yàn)方案Tab.1 Full factorial experiment scheme of SiCp/Al grinding

4 結(jié)果與討論

4.1 低進(jìn)給速度時(shí)磨削參數(shù)對(duì)加工表面質(zhì)量的影響

繪制低進(jìn)給速度不同切深時(shí)各粗糙度單一指標(biāo)隨主軸轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律，如圖4 所示。圖5 是加工表面形貌圖，圖編號(hào)的含義是：數(shù)值代表試驗(yàn)編號(hào)，字母A 表示形貌激光圖，字母B 表示形貌高度圖，字母C 是中央?yún)^(qū)域的放大圖，黑色或藍(lán)色表示高度值低，紅色表示高度值高。圖4 也是全因子試驗(yàn)方差分析的交互作用圖，各指標(biāo)曲線都存在相交的情況，說明低進(jìn)給速度時(shí)，磨削深度ap和主軸轉(zhuǎn)速ns存在顯著的交互作用，因此采用全因子試驗(yàn)方法開展反映磨削參數(shù)交互作用的試驗(yàn)研究是必要的。

圖4 低進(jìn)給速度不同切深時(shí)主軸轉(zhuǎn)速對(duì)表面質(zhì)量的影響Fig.4 Influence of spindle speeds on surface qualities at low feed rate and different cut depths

4.1.1 主軸轉(zhuǎn)速ns 對(duì)加工表面質(zhì)量的影響

小切深（ap為5 μm 和20 μm）時(shí)，如圖4a—f所示，算術(shù)平均粗糙度Ra、破碎面積比Sdr、最大峰高Rp、最低谷深Rv、偏斜度Ssk、峭度Sku均隨著主軸轉(zhuǎn)速ns的增加而先遞減再增加，最小值都出現(xiàn)在ns為6000 r/min 時(shí)，說明ns為6000 r/min 時(shí)可以獲得相對(duì)較好的表面質(zhì)量。可由圖5a、b 的表面形貌驗(yàn)證，圖5a 中試驗(yàn)編號(hào)3 和圖5b 中試驗(yàn)編號(hào)7 對(duì)應(yīng)的ns都是6000 r/min，是小切深各組中形貌質(zhì)量最好的。

如圖4a—f 所示，大切深（ap為40 μm 和80 μm）時(shí)，各指標(biāo)變化不具有明顯的共性規(guī)律，需要綜合評(píng)價(jià)。ap為40 μm 時(shí)，Ra、Sdr、Rv和Sku在ns為8000 r/min時(shí)獲得最小值或近似最小值，而Sdr、Rp和Ssk在ns為6000 r/min 時(shí)獲得最小值，綜合分析初步確定ns為6000 r/min 時(shí)表面質(zhì)量相對(duì)較好，由圖5c 中試驗(yàn)編號(hào)11（ns為6000 r/min）相對(duì)較好的表面形貌得以確認(rèn)。ap為80 μm 時(shí)，隨著ns的增加，Ra、Sd、Rp和Rv呈現(xiàn)遞減或近似遞減趨勢(shì)，ns為6000 r/min 和8000 r/min 時(shí)，上述4 個(gè)指標(biāo)的數(shù)值近似相等，但ns為8000 r/min 時(shí)Ssk和Sku達(dá)到最大值，說明出現(xiàn)大且較深的凹坑，應(yīng)盡量避免此類缺陷，初步判定ns為6000 r/min 時(shí)加工表面質(zhì)量相對(duì)較好。該結(jié)論由圖5d中試驗(yàn)編號(hào)15（ns為6000 r/min）相對(duì)較好的表面形貌得以確認(rèn)。所以，低進(jìn)給速度大切深時(shí)，ns為6000 r/min 時(shí)可以獲得相對(duì)較好的加工表面質(zhì)量。

根據(jù)公式（1）計(jì)算粗糙度綜合指標(biāo)SR，分別繪制低進(jìn)給速度時(shí)主軸轉(zhuǎn)速ns和磨削深度ap對(duì)SR 的影響趨勢(shì)圖，如圖6 所示。需要說明的是，圖6a 是圖4 中Ra、Rv、Rp、Rv、Ssk和Sku數(shù)值通過歸一化計(jì)算而得到的粗糙度綜合指標(biāo)SR 變化曲線圖，圖6a 呈現(xiàn)的低進(jìn)給速度不同切深時(shí)ns對(duì)SR 的影響規(guī)律與上述分析結(jié)果一致，證明SR 評(píng)價(jià)SiCp/Al 表面質(zhì)量是可靠的，所以之后的分析均采用SR 作為SiCp/Al 加工表面質(zhì)量的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

4.1.2 低進(jìn)給速度時(shí)磨削深度ap對(duì)加工表面質(zhì)量的影響

結(jié)合忠縣長(zhǎng)江穿越隧道的實(shí)際情況，超前探水工作在隧道工作面布置4個(gè)超前探水鉆孔。詳見超前探水鉆孔布置圖（圖1）。

圖5 低進(jìn)給速度下不同切深時(shí)主軸轉(zhuǎn)速對(duì)表面形貌的影響Fig.5 Influence of spindle speeds on surface topography at low feed rate and different cut depths

圖6 低進(jìn)給速度時(shí)磨削參數(shù)對(duì)粗糙度綜合指標(biāo)SR 的影響Fig.6 Influence of grinding parameters on the overall indicator SR of surface roughness at low feed rate: (a) influence of ns on SR;(b) influence of ap on SR

低進(jìn)給速度、不同主軸轉(zhuǎn)速ns時(shí)，ap對(duì)SR 的影響規(guī)律如圖6b 所示。低主軸轉(zhuǎn)速（ns為2000 r/min和4000 r/min）時(shí)，SR 隨著ap的增加而先增大再減小而后又增大，相對(duì)最小的SR 出現(xiàn)在ap為5 μm 時(shí)；高主軸轉(zhuǎn)速（ns為6000 r/min 和8000 r/min）時(shí)，SR隨著ap的增加而先增大再減小，最小值分別位于ap為5 μm 和80 μm 處?？傮w而言，ap為5 μm 時(shí)，可以獲得相對(duì)理想的SR。

如圖6 所示，低進(jìn)給速度時(shí)，對(duì)應(yīng)于最小SR 的磨削參數(shù)是ap為5 μm，ns為6000 r/min，試驗(yàn)編號(hào)是3。而如果為了提高磨削效率通常需要較大切深，可采用如下參數(shù)：ap為80 μm，ns為8000 r/min，試驗(yàn)編號(hào)是16，其對(duì)應(yīng)于大切深（ap為40 μm 和80 μm）磨削工藝中的最小SR，也是低進(jìn)給速度時(shí)所有磨削工藝中SR 僅次于最小值。上述結(jié)果可由圖5 所示表面形貌得以證實(shí)。圖5 中3A、3B 和3C 的表面形貌呈現(xiàn)出最均勻的、面積最小的、深度最小的凹坑，表面高度一致性最好，總體表面質(zhì)量是相對(duì)最好的，試驗(yàn)編號(hào)是3；圖5 中16A、16B 和16C 的表面形貌呈現(xiàn)的表面質(zhì)量次之，試驗(yàn)編號(hào)是16。

4.2 高進(jìn)給速度時(shí)磨削參數(shù)對(duì)加工表面質(zhì)量的影響

高進(jìn)給速度時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速ns和磨削深度ap對(duì)SR的影響趨勢(shì)如圖7 所示，加工表面形貌如圖8 所示，其圖編號(hào)含義等與圖5 一致。

圖7 高進(jìn)給速度磨削參數(shù)對(duì)粗糙度綜合指標(biāo)SR 的影響Fig.7 Influence of grinding parameters on the overall indicator SR of surface roughness at high feed rate: (a) influence of ns on SR; (b) influence of ap on SR

高進(jìn)給速度時(shí)，ns對(duì)SR 的影響如圖7a 所示，ap分別為5、20、80 μm 時(shí)，SR 隨著ns的增加而先遞減再增加，相對(duì)最小的SR 出現(xiàn)在ns為6000 r/min 時(shí)；磨削深度ap為40 μm 時(shí)，SR 隨著ns的增加而遞減，相對(duì)最小的SR 出現(xiàn)在ns為8000 r/min 時(shí)。

ap對(duì)SR 的影響如圖7b 所示，低主軸轉(zhuǎn)速（ns為2000 r/min 和4000 r/min）時(shí)，SR 隨著ap的增加而先增大再減小而后又增大，相對(duì)最小的SR 出現(xiàn)在ap為5 μm 時(shí)；高主軸轉(zhuǎn)速（ns為6000 r/min 和8000 r/min）時(shí)，SR 隨著ap的增加而遞增，最小值都位于ap為5 μm 處?？傮w而言，磨削深度ap為5 μm時(shí)，獲得相對(duì)理想的SR。

如圖7 所示，高進(jìn)給速度時(shí)，對(duì)應(yīng)于最小SR 的磨削參數(shù)是ap=5 μm，ns=6000 r/min，試驗(yàn)編號(hào)是19；兼顧磨削效率和表面質(zhì)量，可采用如下參數(shù)：ap=40 μm，ns=6000 r/min，試驗(yàn)編號(hào)是27，其對(duì)應(yīng)于大切深（ap為40 μm 和80 μm）磨削工藝中的最小SR。上述結(jié)果可由圖8 所示表面形貌驗(yàn)證。圖8 中19A、19B 和19C 的表面形貌總體質(zhì)量相對(duì)最好，試驗(yàn)編號(hào)是19；在大切深工藝中，圖8 中27A、27B 和27C的表面形貌中凹坑凸起的數(shù)量相對(duì)較少，凹坑的大小和深度的均勻度最好，不存在陡峭的深凹坑。雖然31A、31B 和31C 呈現(xiàn)的表面形貌中凹坑凸起數(shù)目最少，但是凹坑的深度和峭度最大，這類缺陷應(yīng)盡量避免。綜合分析試驗(yàn)編號(hào)27 的表面質(zhì)量是大切深工藝中相對(duì)最好的。

4.3 磨削工藝參數(shù)優(yōu)選

在本論文試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，為了獲得最佳表面質(zhì)量，低進(jìn)給速度時(shí)最優(yōu)工藝參數(shù)（試驗(yàn)編號(hào)3）的粗糙度綜合指標(biāo)SR 是0.591，而高進(jìn)給速度時(shí)最優(yōu)工藝參數(shù)（試驗(yàn)編號(hào)19）的SR 是0.642，說明最佳表面質(zhì)量對(duì)應(yīng)的最優(yōu)磨削工藝參數(shù)是：進(jìn)給速度vf=50 mm/min，磨削深度ap=5 μm，主軸轉(zhuǎn)速ns=6000 r/min。當(dāng)兼顧磨削效率和加工表面質(zhì)量時(shí)，低進(jìn)給速度時(shí)最優(yōu)工藝參數(shù)（試驗(yàn)編號(hào)16）的SR 是0.870，高進(jìn)給速度時(shí)最優(yōu)工藝參數(shù)（試驗(yàn)編號(hào)16）的SR 是1.057，說明此時(shí)的最優(yōu)磨削工藝參數(shù)是：vf=50 mm/min，ap=80 μm，ns=8000 r/min。需要說明的是，兼顧磨削效率和加工表面質(zhì)量的其界定是獲得較高磨削效率和得到一定的磨削表面質(zhì)量。

圖8 高進(jìn)給速度下不同切深時(shí)主軸轉(zhuǎn)速對(duì)表面形貌的影響Fig.8 Influence of spindle speeds on surface topography at high feed rate and different cut depths

圖9 試驗(yàn)編號(hào)3 和19 的加工表面形貌Fig.9 Surface topography of specimens (a) No.3 and (b) No.19

圖9a 所示試驗(yàn)編號(hào)3 的加工表面沒有明顯的進(jìn)給紋理，圖9b 所示編號(hào)19 的加工表面呈現(xiàn)出明顯的進(jìn)給紋理，這是編號(hào)19 的Ra和SR 數(shù)值相對(duì)更大的主要原因；同時(shí)注意到，編號(hào)19 的磨削表面由顆粒去除引起的表面凹坑更多且更大，而標(biāo)號(hào)3 和19 的ap和ns分別相同，說明進(jìn)給速度越大，單顆磨粒對(duì)應(yīng)未變形磨屑厚度越大，SiC 顆粒的脆性去除特性更加顯著，磨削表面的缺陷越多，質(zhì)量越差。

分析上述兩個(gè)參數(shù)組合是相應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的最優(yōu)磨削工藝組合的合理性如下所述：

1）進(jìn)給速度vf對(duì)磨削表面質(zhì)量的影響分析。很明顯，隨著進(jìn)給速度vf的增加，未變形磨屑厚度增加，導(dǎo)致高體積分?jǐn)?shù)SiCp/Al 復(fù)合材料的磨削表面質(zhì)量降低。

2）磨削深度ap對(duì)磨削表面質(zhì)量的影響分析。因?yàn)楸疚牟捎媚ゾ撸グ簦┑哪チＡ６葹镈126（120/140），采用磨棒的端面進(jìn)行磨削，當(dāng)磨削深度ap較?。╝p為5 μm 和20 μm）時(shí)，參與有效磨削的磨粒是磨棒端面磨粒，當(dāng)磨削深度ap進(jìn)一步增加（ap為40 μm 和80 μm）時(shí)，磨棒圓柱面上的磨粒逐漸介入磨削，但ap為40 μm 時(shí)，參與有效磨削的圓柱面的磨粒數(shù)目仍較少，端面磨粒占主導(dǎo)地位。所以，隨著磨削深度ap由5 μm 增加到40 μm，端面磨粒對(duì)應(yīng)的未變形切屑厚度遞增，磨削表面質(zhì)量變化的總體趨勢(shì)是變差。當(dāng)磨削深度ap由40 μm 增加大80 μm 時(shí)，參與有效磨削的圓柱面的磨粒數(shù)目已經(jīng)較多，如果主軸轉(zhuǎn)速較低（ns為2000 r/min 和4000 r/min），磨削深度ap增加誘發(fā)的有利影響（參與有效磨削的圓柱面的磨粒數(shù)量增加）小于不利影響（端面磨粒對(duì)應(yīng)的未變形切屑厚度遞增），此時(shí)磨削表面質(zhì)量降低；如果主軸轉(zhuǎn)速較高（ns為6000 r/min 和8000 r/min），磨削深度ap增加誘發(fā)的有利影響（參與有效磨削的圓柱面的磨粒數(shù)量增加）大于不利影響（端面磨粒對(duì)應(yīng)的未變形切屑厚度遞增），此時(shí)磨削表面質(zhì)量提高，但其表面質(zhì)量仍小于ap為5 μm 時(shí)的磨削表面質(zhì)量。

3）主軸轉(zhuǎn)速ns對(duì)磨削表面質(zhì)量的影響分析。隨著主軸轉(zhuǎn)速ns的增加（從 2000 r/min 增加到6000 r/min），單位時(shí)間內(nèi)參與磨削的有效磨粒數(shù)目增多，每個(gè)磨粒對(duì)應(yīng)的未變形切屑厚度降低，致使SiC增強(qiáng)顆粒的脆性裂紋斷裂去除作用減弱和Al 基體的塑性變形作用減弱，復(fù)合材料中兩個(gè)組成相的切削性能更加接近，加工表面質(zhì)量提高，而當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速sn從6000 r/min 增加到8000 r/min 時(shí)，因?yàn)槟ゾ叨嗣婺チＲ恢迸c工件接觸，過大的速度和沖擊力導(dǎo)致 SiCp/2024Al 復(fù)合材料中SiC-Al 界面脫粘現(xiàn)象加劇，SiC增強(qiáng)顆粒的脆性裂紋斷裂去除作用增強(qiáng)，同時(shí)SiC 增強(qiáng)顆粒間的Al 基體更容易發(fā)生嚴(yán)重扭進(jìn)而失效形成表面缺陷，繼而導(dǎo)致加工表面質(zhì)量下降，所以在磨削深度ap較?。╝p為5 μm 和20 μm）時(shí)，采用適當(dāng)?shù)闹鬏S轉(zhuǎn)速ns（ns為6000 r/min）可以獲得最佳磨削表面質(zhì)量。

綜上分析可知，進(jìn)給速度vf越大，磨削表面質(zhì)量越差；足夠小的進(jìn)給速度vf和磨削深度ap及適當(dāng)?shù)闹鬏S轉(zhuǎn)速ns（ns為6000 r/min），有利于獲得高體積分?jǐn)?shù)SiCp/Al 復(fù)合材料的最佳磨削表面質(zhì)量。同時(shí)可知，大磨削深度ap（ap為80 μm）和高主軸轉(zhuǎn)速ns（ns為8000 r/min）有利于更多的磨具圓柱面上的磨粒參與有效磨削，既可以提高磨削效率，又可以實(shí)現(xiàn)較好地磨削質(zhì)量。所以，本文試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)的優(yōu)化工藝參數(shù)組合：獲得最佳磨削表面質(zhì)量的最優(yōu)磨削參數(shù)是進(jìn)給速度vf=50 mm/min，磨削深度ap=5 μm，主軸轉(zhuǎn)速ns=6000 r/min；兼顧磨削效率和表面質(zhì)量的最優(yōu)磨削參數(shù)是vf=50 mm/min，ap=80 μm，ns=8000 r/min。

5 SiCp/Al 磨削表面形成機(jī)理

基于Abaqus軟件的SiCp/Al復(fù)合材料磨削表面形成示意圖如圖10 所示。第4 節(jié)的試驗(yàn)結(jié)果表明：磨削深度ap在SiCp/Al 復(fù)合材料的材料去除和表面形成過程中起到至關(guān)重要的作用，隨著磨削深度ap的增加（ap由5 μm 增加到40 μm），參與有效磨削的磨粒是磨棒端面磨粒，磨削表面質(zhì)量變化的總體趨勢(shì)是變差，分析其原因如下。

當(dāng)ap足夠小時(shí)，SiC 顆粒是以塑性去除為主，且其在Al 基體中的被動(dòng)移動(dòng)量很小，此時(shí)SiCp/Al 磨削表面質(zhì)量好，缺陷少，如圖10a 所示；如圖10b 標(biāo)記Ⅰ所示，當(dāng)ap較大時(shí)，SiC 顆粒被磨粒推擠的移動(dòng)量增大，導(dǎo)致其與Al 基體內(nèi)其他SiC 顆粒發(fā)生碰撞，這種現(xiàn)象對(duì)于高體積分?jǐn)?shù)SiCp/Al 復(fù)合材料而言更容易發(fā)生，在砂輪磨粒和SiC 顆粒碰撞的共同作用下，SiC 顆粒以脆性去除為主。與此同時(shí)，SiC 顆粒與Al基體在硬度和彈性模量等力學(xué)性能方面的顯著差異，導(dǎo)致Al 基體的塑性變形無法匹配SiC 顆粒的移動(dòng)和偏轉(zhuǎn)量，繼而導(dǎo)致SiC 顆粒-Al 基體界面脫粘，如圖10b 標(biāo)記Ⅱ所示。而且SiC 顆粒脆性去除后遺留在原位置的碎片，由于其復(fù)雜的多棱邊結(jié)構(gòu)很容易被砂輪磨粒撥動(dòng)而高出已加工表面，如圖10b 標(biāo)記Ⅲ所示。如圖10c 所示，隨著ap進(jìn)一步增加，SiC-SiC 顆粒碰撞（圖10c 標(biāo)記Ⅳ）、SiC 顆粒-Al 基體界面脫粘（圖10c 標(biāo)記Ⅴ）和SiC 顆粒脆性斷裂（圖10c 標(biāo)記Ⅵ）發(fā)生的概率和程度進(jìn)一步加劇，磨削加工表面缺陷急劇增多，如更多的殘留SiC 碎片和粉碎化SiC 碎片的凌亂表面（圖10c 標(biāo)記Ⅶ）等，同時(shí)SiC 顆粒-Al 基體界面脫粘進(jìn)一步擴(kuò)展并相互交織，進(jìn)而在磨削表面形成近似垂直于磨削方向的橫向大裂紋（圖10d 標(biāo)記Ⅷ）。圖10d 所示的SiCp/Al 磨削表面創(chuàng)成仿真呈現(xiàn)的表面缺陷與圖1 所示的SiCp/Al 磨削表面的典型缺陷是一致的。

圖10 SiCp/Al 磨削表面形成仿真Fig.10 Forming process simulation of grinded SiCp/Al surface: (a) enough small grind depth; (b) large grind depth; (c) larger grind depth; (d) final grinded surface at a larger grind depth

當(dāng)磨削深度ap由40 μm 增加到80 μm 時(shí)，已經(jīng)有足夠多的磨棒圓柱面的磨粒參與有效磨削，這些磨粒與工件間歇接觸，如果主軸轉(zhuǎn)速ns較高（ns為6000 r/min 和8000 r/min），則圓柱面的磨粒對(duì)應(yīng)的未變形磨屑厚度很小，而磨削深度ap對(duì)未變形磨屑厚度沒有影響，此時(shí)磨削深度ap增加將提高參與有效磨削的圓柱面的磨粒數(shù)量，材料去除量主要由圓柱面的磨粒實(shí)現(xiàn)。而對(duì)于磨棒端面的磨粒而言，材料去除量將減少，相當(dāng)于其對(duì)應(yīng)的磨削深度減小，其主要作用是對(duì)圓柱面磨粒完成的已加工表面進(jìn)行精加工，因此呈現(xiàn)出第4 節(jié)的試驗(yàn)結(jié)果，即在較高主軸轉(zhuǎn)速ns條件下，如果磨削深度ap由40 μm 增加到80 μm，磨削表面的上述缺陷將有所減少，表面質(zhì)量提高，但其表面質(zhì)量仍小于ap為5 μm 時(shí)的磨削表面質(zhì)量。

磨削速度（主軸轉(zhuǎn)速）ns是影響SiCp/Al 磨削表面的另一個(gè)重要因素。隨著ns的增加，單位時(shí)間內(nèi)參與磨削的磨粒數(shù)目增多，未變形切屑厚度變小，材料的加工應(yīng)變率增加，導(dǎo)致Al 基體的塑性變形和SiC顆粒脆性斷裂趨勢(shì)減弱，所以表面質(zhì)量提升。但ns達(dá)到某一臨界值后，ns進(jìn)一步遞增將導(dǎo)致SiC-SiC 顆粒碰撞、SiC 顆粒-Al 基體界面脫粘等現(xiàn)象加劇，繼而引起磨削表面質(zhì)量變差。這與本文試驗(yàn)中磨削表面粗糙度綜合指標(biāo)SR 隨ns的變化趨勢(shì)基本一致，SR變化趨勢(shì)轉(zhuǎn)折點(diǎn)即出現(xiàn)在ns=6000 r/min。

另外，磨削深度ap和磨削速度ns對(duì)SiCp/Al 磨削表面形成的影響存在耦合作用。ns較低時(shí)，更大的ap引起SiC-SiC 顆粒碰撞、SiC 顆粒-Al 基體界面脫粘等現(xiàn)象加劇，導(dǎo)致磨削表面質(zhì)量降低；而高ns時(shí)，雖然更大的ap有引起上述現(xiàn)象的趨勢(shì)，但高ns實(shí)現(xiàn)的更高的材料加工應(yīng)變率抵消了更大ap帶來的不利因素，在上述現(xiàn)象發(fā)生前工件材料就被磨粒去除，表面質(zhì)量可能提高。如圖5b 所示，這與本文試驗(yàn)中磨削表面粗糙度綜合指標(biāo)SR 隨ap（ap=40 μm 和80 μm）的變化趨勢(shì)基本一致。

6 結(jié)論

1）根據(jù)SiCp/Al 復(fù)合材料加工表面缺陷及形成機(jī)制，提出基于表面粗糙度多指標(biāo)的粗糙度綜合指標(biāo)SR 為主、表面形貌為輔的表面質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)方法，試驗(yàn)分析證明該方法是可靠的。

2）粗糙度綜合指標(biāo)SR 隨著主軸轉(zhuǎn)速ns的增加而先遞減再增大。低主軸轉(zhuǎn)速（ns為2000 r/min 和4000 r/min）時(shí)，SR 隨著磨削深度ap的增加而先增大再減小而后又增大；高主軸轉(zhuǎn)速（ns為6000 r/min 和8000 r/min）時(shí)，SR 隨著ap的增加而先增加再低進(jìn)給量（ap由5 μm 增加到40 μm）時(shí)減小或高進(jìn)給量（ap由40 μm 增加到80 μm）時(shí)增加?？傮w而言，磨削深度ap為5 μm 時(shí)，獲得相對(duì)理想的SR。

3）在本文試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，最佳表面質(zhì)量的磨削參數(shù)是進(jìn)給速度vf=50 mm/min，磨削深度ap=5 μm，主軸轉(zhuǎn)速ns=6000 r/min；兼顧磨削效率和表面質(zhì)量的最優(yōu)磨削參數(shù)是進(jìn)給速度vf=50 mm/min，磨削深度ap=80 μm，主軸轉(zhuǎn)速ns=8000 r/min。

4）SiCp/Al 磨削表面形成機(jī)理揭示磨削深度ap對(duì)磨削表面形貌和質(zhì)量影響的機(jī)理，以及表面質(zhì)量隨著磨削速度ns變化趨勢(shì)存在轉(zhuǎn)折臨界點(diǎn)的原因。磨削深度和磨削速度對(duì)SiCp/Al 磨削表面形成的影響具有耦合作用。