SiCp/Al復(fù)合材料銑磨力試驗(yàn)研究*

侯張敏，董志國，朱徐輝，劉沛林

(太原理工大學(xué)a.機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院；b.精密加工山西省重點(diǎn)試驗(yàn)室，太原 030024)

0 引言

顆粒增強(qiáng)型鋁基碳化硅復(fù)合材料(SiCp/Al)由于其優(yōu)越的綜合性能，廣泛應(yīng)用于航空航天、精密光學(xué)儀器儀表等行業(yè)[1-2]。SiCp/Al復(fù)合材料由硬質(zhì)SiC增強(qiáng)顆粒和較軟的Al金屬基體結(jié)合而成，在加工過程中，SiC增強(qiáng)顆粒易破碎、脫落，從而易形成較大的表面缺陷，且SiC增強(qiáng)顆粒還會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的刀具磨損。近年來，用磨具磨削的方法來實(shí)現(xiàn)金屬基復(fù)合材料的高效精密加工正在大量研究。研究SiCp/Al復(fù)合材料的磨削力和磨削特性，對(duì)深入了解SiCp/Al復(fù)合材料的去除機(jī)理和使用性能，選擇合理的加工工藝參數(shù)，有效提高零件的加工質(zhì)量有重要意義。

都金光、李建廣等[3-4]通過正交試驗(yàn)，研究了不同的銑磨工具和加工參數(shù)對(duì)銑磨力的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)法向銑磨力和切向銑磨力均隨著銑磨速度的增加而減小，隨著進(jìn)給速度和銑磨深度的增加而增大；進(jìn)給速度和銑磨深度對(duì)法向銑磨力是高度顯著的影響因素，銑磨速度、進(jìn)給速度和銑磨深度對(duì)切向銑磨力均是高度顯著影響因素。ZHOU等[5]研究了SiCp/Al復(fù)合材料的低溫磨削加工特性，在SiCp/Al的磨削過程中加入液氮進(jìn)行低溫冷卻，對(duì)低溫冷卻與常規(guī)濕磨的效果進(jìn)行了比較。試驗(yàn)結(jié)果表明，低溫冷卻能有效增強(qiáng)Al基體對(duì)SiC顆粒的支撐作用，提高表面質(zhì)量。SHI等[6]用MATLAB對(duì)采集的磨削力信號(hào)進(jìn)行了時(shí)域、頻域分析和信號(hào)小波分析，發(fā)現(xiàn)在砂輪速度一定的情況下，進(jìn)給速度對(duì)磨削力、磨削力比和磨削力標(biāo)準(zhǔn)方差的影響遠(yuǎn)大于磨削深度。且隨著工件速度和磨削深度的增加，磨削力增大，磨削力比減小，不同材料的磨削力標(biāo)準(zhǔn)方差變化復(fù)雜。

本文用大直徑金剛石碗形砂輪對(duì)30%的SiCp/Al復(fù)合材料進(jìn)行大切深緩進(jìn)給銑磨試驗(yàn)，研究SiCp/Al復(fù)合材料的銑磨力解析模型在該試驗(yàn)條件下的有效性。在該模型中，除切屑形成力和摩擦力分量之外，還考慮增強(qiáng)相SiC顆粒的斷裂破碎力。選取切削速度vs、進(jìn)給速度vw和徑向磨削深度ap三個(gè)參數(shù)作為變量，進(jìn)行單因素試驗(yàn)，并將理論計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測量結(jié)果進(jìn)行比較分析。

1 SiCp/Al復(fù)合材料銑磨力模型

本文采用的磨削方法為銑磨，圖1為銑磨加工的加工過程，即用砂輪代替銑刀，其材料去除過程與磨削相同，均通過磨粒的微切削來實(shí)現(xiàn)。銑磨[7]加工既具備磨削加工多刃切削的優(yōu)勢，又具備銑削加工多軸運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，成為了SiCp/Al復(fù)合材料精密加工的理想選擇。

圖1 銑磨加工示意圖

在常規(guī)材料的磨削加工過程中，磨粒產(chǎn)生的磨削力可分為兩部分[8]：切屑形成力和摩擦力。SiCp/Al是兩相復(fù)合材料，材料中含有金屬基體Al和增強(qiáng)顆粒SiC顆粒，在加工過程中，切削機(jī)理不同于傳統(tǒng)材料。金屬基體Al、增強(qiáng)顆粒SiC以及基體和增強(qiáng)顆粒之間的相互作用都對(duì)復(fù)合材料的磨削力有影響。在SiCp/Al復(fù)合材料的磨削過程中，磨粒與增強(qiáng)顆粒SiC之間的相互作用會(huì)導(dǎo)致許多增強(qiáng)顆粒SiC剝離斷裂，形成斷裂破碎力。

決定SiCp/Al復(fù)合材料的磨削力的主要因素[9]為切屑形成力、摩檫力和SiC顆粒破碎力，在法向和切向上總磨削力可由式(1)表示：

(1)

式中，F(xiàn)nc、Fnr和Fnf分別是法向切屑形成力、摩擦力和SiC顆粒破碎力分量；Ftc、Ftr和Ftf是切向切屑形成力、摩擦力和SiC顆粒破碎力分量。

1.1 切屑形成力

在砂輪與工件的整個(gè)接觸區(qū)，產(chǎn)生的法向切屑形成力Fnc為[10]：

(2)

式中，vw和vs分別為進(jìn)給速度和切削速度；ap為徑向磨削深度；b為軸向磨削深度；K1為總切削變形系數(shù)，可通過試驗(yàn)來確定。

切向切屑形成力Ftc與法向切屑形成力Fnc有以下比例關(guān)系：

(3)

式中，θ為磨粒頂圓錐半角。

則

(4)

式中，K2為總切削變形系數(shù)，可通過試驗(yàn)來確定。

1.2 摩擦力

根據(jù)DU等[2]的研究結(jié)果，法向摩擦力和切向摩擦力為：

(5)

式中，K3、K4、K5均為系數(shù)，同樣通過試驗(yàn)來確定。

1.3 SiC顆粒破碎力

SiC顆粒的破碎是由于受到外力的作用發(fā)生微裂紋，微裂紋進(jìn)一步擴(kuò)散，最后由于裂紋的聚集使得SiC顆粒破碎。根據(jù)DU等[2]的研究，由SiC顆粒產(chǎn)生的斷裂破碎力為：

(6)

(7)

式中，v、Y、σ、a、w為SiC顆粒的泊松比、彈性模量、斷裂應(yīng)力、初始界面裂紋的長度和寬度；nf為單位體積(1 mm3)內(nèi)發(fā)生斷裂破碎的顆粒數(shù)；ρg為砂輪磨粒的頂尖半徑；K6、K7為系數(shù)，可以通過試驗(yàn)確定。

1.4 SiCp/Al銑磨力模型

將得到的式(2)、式(4)、式(5)、式(6)以及式(7)代入式(1)中，可得到SiCp/Al的總銑磨力理論模型為：

(8)

(9)

2 銑磨試驗(yàn)及模型系數(shù)的確定

2.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置如圖2所示，試驗(yàn)所用設(shè)備為HAAS VF-2三軸立式加工中心。選用的磨削工具為金剛石碗形砂輪，其主要參數(shù)如表1所示。

圖2 加工試驗(yàn)裝置

表1 磨削工具參數(shù)表

試驗(yàn)材料選用SiCp/6063Al復(fù)合材料，SiCp平均直徑為10 μm，SiC體積分?jǐn)?shù)為30%，工件尺寸為15 mm×10 mm×7 mm。試驗(yàn)中使用Kistler9119AA2三向測力儀采集加工過程中的磨削力，采樣頻率為20 000 Hz。

圖3為磨削時(shí)的磨削力示意圖，F(xiàn)n為法向銑磨力，F(xiàn)t為切向銑磨力，F(xiàn)x為測力儀測得的X向銑磨力，F(xiàn)y為測力儀測得的Y向銑磨力。通過式(10)可將X和Y方向的銑磨力換算成法向銑磨力Fn和切向銑磨力Ft。

圖3 磨削力示意圖

(10)

式中，ap為徑向磨削深度；ds為砂輪直徑。

2.2 試驗(yàn)系數(shù)的確定

在銑磨力預(yù)測模型中，K1～K7為待求試驗(yàn)參數(shù)，需要進(jìn)行3組切削試驗(yàn)進(jìn)行參數(shù)確定，試驗(yàn)切削參數(shù)如表2所示。

表2 系數(shù)確定用試驗(yàn)參數(shù)

將上述試驗(yàn)結(jié)果代入式(8)、式(9)，可求得各待求試驗(yàn)參數(shù)值，如表3所示。將各試驗(yàn)參數(shù)值代入式(8)、式(9)中，即可得到該試驗(yàn)條件下SiCp/Al復(fù)合材料的銑磨力預(yù)測模型。

表3 各試驗(yàn)系數(shù)參數(shù)值

3 銑磨力與銑磨特性

如圖4所示為vw=0.03 m/min，vs=282.6 m/min，ap=2 mm，b=0.3 mm時(shí)，所測得的原始磨削力信號(hào)圖。

(a) 原始X向磨削力信號(hào)Fx (b) 原始Y向磨削力信號(hào)Fy

在采到的磨削力信號(hào)中，存在大量噪點(diǎn)數(shù)據(jù)，需對(duì)磨削力信號(hào)進(jìn)行濾波處理，處理后的磨削力信號(hào)如圖5所示。

(a) 濾波后的X向磨削力信號(hào)Fx (b) 濾波后的Y向磨削力信號(hào)Fy

從圖中可以觀察到：磨削力信號(hào)呈近似正弦曲線變化，周期為0.067 s，與砂輪旋轉(zhuǎn)一周的時(shí)間相同，這種變化可能是由于砂輪的徑向跳動(dòng)造成的。砂輪的徑向跳動(dòng)是指由于砂輪與主軸部件的制造誤差、裝夾誤差而造成的砂輪軸線和主軸理想回轉(zhuǎn)軸線之間出現(xiàn)漂移和偏心的現(xiàn)象。砂輪的徑向跳動(dòng)會(huì)使磨削時(shí)的瞬態(tài)切削厚度呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢[11]，從而導(dǎo)致磨削力信號(hào)呈近似正弦曲線變化。

用大直徑金剛石碗形砂輪對(duì)30%的SiCp/Al復(fù)合材料進(jìn)行大切深緩進(jìn)給銑磨試驗(yàn)，研究SiCp/Al復(fù)合材料的銑磨力解析模型在該試驗(yàn)條件下的有效性。選取切削速度vs、進(jìn)給速度vw和徑向磨削深度ap三個(gè)參數(shù)作為變量，進(jìn)行單因素試驗(yàn)。表4為單因素試驗(yàn)的詳細(xì)參數(shù)，其中徑向磨削深度b固定為0.3 mm。

表4 試驗(yàn)參數(shù)

圖6為vw=0.03 m/min，ap=2 mm，b=0.3 mm時(shí)，通過模型計(jì)算和銑磨試驗(yàn)實(shí)測的法向銑磨力和切向銑磨力隨切削速度vs的變化對(duì)比圖。從圖中可以看出：當(dāng)切削速度vs從188.4 m/min增加到471 m/min時(shí)，試驗(yàn)實(shí)測的法向銑磨力Fn從19.2 N降低至8.1 N，試驗(yàn)實(shí)測的切向銑磨力Ft從9.1 N降低至3.9 N。理論預(yù)測結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果均表明，法向銑磨力Fn和切向銑磨力Ft均隨切削速度vs的增加而減小。

圖6 法向力、切向力隨切削速度變化關(guān)系 圖7 法向力、切向力隨進(jìn)給速度變化關(guān)系

圖7為vs=282.6 m/min，ap=2 mm，b=0.3 mm時(shí)，通過模型計(jì)算和銑磨試驗(yàn)實(shí)測的法向銑磨力和切向銑磨力隨進(jìn)給速度vw的變化對(duì)比圖。從圖中可以看出：當(dāng)進(jìn)給速度vw從0.02 m/min增加到0.035 m/min時(shí)，試驗(yàn)實(shí)測的法向銑磨力Fn從10.0 N增加到16.0 N，試驗(yàn)實(shí)測的切向銑磨力Ft從3.7 N增加到7.5 N。理論預(yù)測結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果均表明，法向銑磨力Fn和切向銑磨力Ft均隨進(jìn)給速度vw的增加而增大。

圖8為vw=0.03 m/min，vs=282.6 m/min，b=0.3 mm時(shí)，通過模型計(jì)算和銑磨試驗(yàn)實(shí)測的法向銑磨力和切向銑磨力隨徑向磨削深度ap的變化對(duì)比圖。從圖中可以看出：當(dāng)徑向磨削深度ap從1 mm增加到2.5 mm時(shí)， 試驗(yàn)實(shí)測的法向銑磨力Fn從5.9 N增加到16.3 N，試驗(yàn)實(shí)測的切向銑磨力Ft從2.2 N增加到9.5 N。理論預(yù)測結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果均表明，法向銑磨力Fn和切向銑磨力Ft均隨徑向磨削深度ap的增加而增大。

圖8 法向力、切向力隨徑向切削深度變化關(guān)系

總體來說，與文獻(xiàn)[2]的試驗(yàn)結(jié)果相比，本試驗(yàn)的理論計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測量值的吻合度較差，且法向力的預(yù)測誤差更大。這是因?yàn)樯拜喼睆胶颓邢魃疃容^大，導(dǎo)致砂輪底面與工件材料之間的摩擦力較大。

受砂輪底面與工件材料之間的摩擦力的影響，將式(10)修正為式(11)：

Fn=cosθ(Fy+f)-sinθFx
Ft=cosθFx-sinθ(Fy+f)

(11)

式中，f為試驗(yàn)中砂輪底面與工件材料之間的摩擦力。因?yàn)棣容^小，cosθ?sinθ，則fcosθ?fsinθ，故法向力的理論預(yù)測結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果相差更大，其預(yù)測誤差更大。故銑磨試驗(yàn)時(shí)，若砂輪直徑和切削深度較大，SiCp/Al復(fù)合材料的銑磨力預(yù)測模型也應(yīng)考慮砂輪底面與工件材料之間的摩擦力。

4 結(jié)論

(1)預(yù)測大砂輪大切深緩進(jìn)給銑磨SiCp/Al復(fù)合材料銑磨力的銑磨力解析模型，除切屑形成力、摩擦力和增強(qiáng)相SiC顆粒的斷裂破碎力外，還應(yīng)考慮砂輪底面與工件材料之間的摩擦力。

(2)磨削力信號(hào)呈近似正弦曲線變化，周期與砂輪旋轉(zhuǎn)一周的時(shí)間相同，這種變化可能是由于砂輪的徑向跳動(dòng)造成的。

(3)銑磨力解析模型及試驗(yàn)結(jié)果均表明：法向銑磨力Fn和切向銑磨力Ft均隨進(jìn)給速度vw和徑向磨削深度ap的增加而增大，隨切削速度vs的減小而增大。這是因?yàn)檫M(jìn)給速度vw、徑向磨削深度ap越大，切削速度vs越小，單個(gè)磨粒在單位時(shí)間內(nèi)去除的材料體積也就越大，從而使銑磨力增大。