SiCp/Al復(fù)合材料超聲振動(dòng)研磨工藝研究

孫寶玉， 付興豹， 袁 旭， 谷 巖

（長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 長(zhǎng)春 130012）

金屬基復(fù)合材料因其優(yōu)異的性能廣泛應(yīng)用于國民生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，而SiCp/Al復(fù)合材料憑借其高強(qiáng)度、高硬度、低密度、低熱膨脹系數(shù)，良好的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能以及優(yōu)異的耐腐蝕性和耐疲勞性，在航空航天、軍事和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。

SiCp/Al復(fù)合材料是由硬質(zhì)增強(qiáng)顆粒SiC和軟質(zhì)金屬Al基體復(fù)合而成，由于SiC顆粒的存在使得SiCp/Al復(fù)合材料的研磨特性與普通鋁合金具的有很大的差異，SiCp/Al復(fù)合材料加工性能不甚理想[4-5]。受材料本身特性以及加工方法和加工參數(shù)的影響，傳統(tǒng)的研磨方法易產(chǎn)生各種缺陷，如裂紋、崩邊和凹坑，很難得到高質(zhì)量的加工表面。因此，選擇適合于SiCp/Al復(fù)合材料且能夠有效降低其表面粗糙度和損傷的加工方法至關(guān)重要[6-8]。

超聲振動(dòng)研磨是將超聲振動(dòng)和普通研磨相結(jié)合的一種先進(jìn)的特種加工方法[9]，在不同的材料加工過程中得到廣泛應(yīng)用，諸多學(xué)者對(duì)超聲振動(dòng)加工方法進(jìn)行了研究。在硬脆陶瓷方面，ZHAO等[10]對(duì)ZrO2陶瓷進(jìn)行超聲振動(dòng)磨削實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)超聲振動(dòng)磨削可以改變傳統(tǒng)磨削機(jī)理，減少材料斷裂發(fā)生的幾率。隨著磨削深度的增大，在超聲振動(dòng)下材料的塑性加工效率明顯大于普通磨削的，且可以形成更好的表面形貌。許陸昕[11]將超聲振動(dòng)磨削方法應(yīng)用在碳化硅陶瓷的加工中，對(duì)超聲振動(dòng)磨削碳化硅陶瓷的表面形成機(jī)理進(jìn)行了研究，并探究了工藝參數(shù)對(duì)表面粗糙度和表面形貌的影響規(guī)律。鄭偉等[12]對(duì)SiCp/Al復(fù)合材料超聲振動(dòng)磨削機(jī)理進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)超聲振動(dòng)作用使得碳化硅顆粒更易以小切屑或塑性的方式去除，能減少刀具與工件間堆積的碳化硅顆粒的數(shù)量，有助于SiCp/Al的加工。ZHA等[13]研究了SiCp/Al復(fù)合材料在旋轉(zhuǎn)超聲加工中的材料去除機(jī)理，發(fā)現(xiàn)與普通加工相比，超聲振動(dòng)加工能夠減輕增強(qiáng)體SiC顆粒的損傷現(xiàn)象并改善工件的表面質(zhì)量。

基于上述研究可知，超聲振動(dòng)加工方法相對(duì)于傳統(tǒng)加工方法擁有諸多優(yōu)勢(shì)，該方法適用于SiCp/Al復(fù)合材料的加工[14]，而選擇合適的工藝參數(shù)能夠更好地發(fā)揮超聲振動(dòng)加工的優(yōu)勢(shì)。但針對(duì)SiCp/Al復(fù)合材料的超聲振動(dòng)研磨方法，其工藝參數(shù)對(duì)加工質(zhì)量影響規(guī)律的研究較少。因此，應(yīng)用金剛石樹脂磨頭對(duì)體積分?jǐn)?shù)為40%的SiCp/Al復(fù)合材料進(jìn)行二維超聲振動(dòng)研磨試驗(yàn)，探究不同工藝參數(shù)（進(jìn)給速度、主軸轉(zhuǎn)速、研磨深度）和磨料粒度對(duì)SiCp/Al工件表面粗糙度的影響規(guī)律，并得到試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)的最佳參數(shù)組合。

1 超聲振動(dòng)研磨機(jī)理

1.1 超聲振動(dòng)研磨裝置及工作原理

超聲振動(dòng)研磨裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要結(jié)構(gòu)由金剛石磨頭、變幅桿、換能器、后蓋板等組成。振動(dòng)裝置的工作原理是超聲發(fā)生器對(duì)換能器施加激勵(lì)電信號(hào)，換能器產(chǎn)生響應(yīng)做小幅高頻機(jī)械振動(dòng)，振動(dòng)經(jīng)過變幅桿傳遞并放大后，使裝夾在變幅桿上的磨頭產(chǎn)生加工運(yùn)動(dòng)軌跡。為使振動(dòng)裝置在磨頭產(chǎn)生的振動(dòng)為二維振動(dòng)，采用了在變幅桿一側(cè)開U形槽的方法，使裝置在產(chǎn)生軸向振幅的同時(shí)，在沿軸線彎曲的方向也產(chǎn)生振幅，2個(gè)方向的振動(dòng)合成便產(chǎn)生了加工所需的橢圓振動(dòng)。

圖1 超聲振動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of ultrasonic vibration device

超聲振動(dòng)研磨SiCp/Al復(fù)合材料是在傳統(tǒng)研磨方法的基礎(chǔ)上，利用超聲橢圓振動(dòng)對(duì)工件表面進(jìn)行加工的，其研磨原理如圖2所示。與傳統(tǒng)加工方式相比，其增加了二維超聲振動(dòng)的研磨方式，具有研磨力小和降低加工區(qū)域溫度、提高加工效率、降低磨頭磨損及促進(jìn)排屑等優(yōu)勢(shì)。

圖2 超聲振動(dòng)研磨原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of ultrasonic vibration grinding principle

1.2 單磨粒運(yùn)動(dòng)軌跡分析

圖3為單磨粒在O-XZ平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖。在超聲振動(dòng)研磨過程中，磨粒在超聲激勵(lì)的情況下會(huì)沿著X和Z方向產(chǎn)生正弦運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)軌跡如式（1）：

圖3 單磨粒研磨軌跡示意圖Fig.3 Schematic diagram of single abrasive trajectory

式中：f為振動(dòng)頻率；A和B分別為超聲振動(dòng)在X和Z方向上振幅；θ為相位差；t為研磨時(shí)間，s。

在研磨過程中，磨粒相對(duì)于工件的運(yùn)動(dòng)軌跡呈橢圓狀。在加工時(shí)，工件固定在機(jī)床卡盤上，磨頭的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)、超聲振動(dòng)以及工件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)共同組成了加工中的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。

圖4為磨粒運(yùn)動(dòng)軌跡。從圖4a中可以看出：磨粒運(yùn)動(dòng)軌跡為二維平面軌跡，研磨加工時(shí)磨頭與工件直接接觸，工件受到較大的研磨力，極易使碳化硅破碎，并從鋁基體中脫落形成凹坑。同時(shí)，加工產(chǎn)生的磨屑不易排出，摩擦力增大，加工區(qū)域的溫度上升，磨屑在高溫下與工件發(fā)生黏連，使加工表面質(zhì)量變差，表面粗糙度增大。

從圖4b中可以看出：在超聲振動(dòng)的作用下，磨粒運(yùn)動(dòng)軌跡為空間橢圓形，當(dāng)磨粒運(yùn)動(dòng)到橢圓底部時(shí)，其與工件接觸，壓入研磨表面，而后迅速沿著橢圓軌跡離開表面。在整個(gè)過程中，磨粒與工件間歇性接觸，這種接觸方式能夠降低加工溫度并帶出磨屑，避免磨屑黏連在工件表面上。與普通研磨相比，超聲振動(dòng)研磨的運(yùn)動(dòng)軌跡更長(zhǎng)，軌跡之間的交叉干涉更多，能夠更加均勻充分的對(duì)被加工表面進(jìn)行研磨。同時(shí)，間歇式的分離特性[15]使得工件受到的研磨力更小，從而減少加工缺陷，降低刀具磨損，延長(zhǎng)了磨頭的使用壽命，提高了工件表面質(zhì)量。

圖4 磨粒運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.4 Abrasive particle trajectory

2 超聲振動(dòng)研磨 SiCp/Al工藝試驗(yàn)

2.1 超聲振動(dòng)研磨系統(tǒng)

為了探究不同超聲振動(dòng)研磨工藝參數(shù)對(duì)SiCp/Al工件表面粗糙度的影響規(guī)律，搭建了超聲振動(dòng)研磨系統(tǒng)，進(jìn)行超聲振動(dòng)研磨SiCp/Al試驗(yàn)。圖5為試驗(yàn)系統(tǒng)及檢測(cè)設(shè)備，超聲振動(dòng)研磨系統(tǒng)如圖5a所示，使用的設(shè)備主要有CNC精密自動(dòng)車床C300-IV；超聲振動(dòng)研磨裝置，工作頻率為20 kHz，Z方向和X方向的振動(dòng)幅值分別為10.4 μm和4.5 μm；檢測(cè)設(shè)備為白光干涉儀（Zygo Newview 8 300）如圖5b所示；加工材料為SiCp/Al，SiC 體積分?jǐn)?shù)為 40%，尺寸為 10 mm × 10 mm ×5 mm。

圖5 試驗(yàn)系統(tǒng)及檢測(cè)設(shè)備Fig.5 Experimental system and detection equipment

2.2 試驗(yàn)方案及參數(shù)選取

采用單因素試驗(yàn)法探究加工參數(shù)（進(jìn)給速度、主軸轉(zhuǎn)速、研磨深度）以及磨料粒度對(duì)SiCp/Al加工表面粗糙度的影響規(guī)律。具體試驗(yàn)參數(shù)如表1所示。試驗(yàn)前先對(duì)工件原始表面進(jìn)行粗磨處理，以保證工件表面的平整性。

表1 超聲振動(dòng)試驗(yàn)參數(shù)Tab.1 Experimental parameters of ultrasonic vibration

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

為了對(duì)比超聲振動(dòng)研磨與常規(guī)研磨后的工件表面粗糙度，對(duì)工件進(jìn)行超聲振動(dòng)研磨和普通研磨試驗(yàn)，超聲振動(dòng)研磨和常規(guī)研磨的進(jìn)給速度為10 mm/min，轉(zhuǎn)速為 1 800 r/min，磨料粒度 5.5 μm，研磨深度為 1 μm，普通研磨的振幅為0。圖6為工件研磨前后的表面形貌。

工件的原始表面形貌如圖6a所示。由圖6a可以看出：工件的原始表面粗糙度為2 030 nm，工件表面存在大量的毛刺以及凹坑。常規(guī)磨削后工件表面形貌如圖6b所示。由圖6b可以看出：與原始表面相比，工件表面有了很大的改善，其表面粗糙度為79 nm，但仍有一系列的劃擦痕跡，并且劃痕較為雜亂，深淺不一，規(guī)律性不明顯。另外，工件表面還存在一些較深的溝槽和凹坑。這是因?yàn)樵谄胀庸み^程中磨頭與工件表面接觸時(shí)的摩擦力較大，磨頭磨損較快，磨頭表面變鈍，使得工件表面的SiC顆粒發(fā)生局部破碎和SiC顆粒被拔出的現(xiàn)象。由于一部分顆粒碎屑和脫黏的顆粒未能及時(shí)脫落，隨著磨頭的運(yùn)動(dòng)對(duì)工件表面進(jìn)行了劃擦和耕犁，從而在工件表面留下了一些較深的劃痕，而顆粒被拔出的區(qū)域以及顆粒發(fā)生破碎的區(qū)域便留下了凹坑，因此造成了較差的表面質(zhì)量。

圖6 工件表面形貌Fig.6 Surface topography of workpiece

當(dāng)加工方式為超聲振動(dòng)研磨時(shí)，加工表面的形貌如圖6c所示。從圖6c可以看出：相比于普通研磨，超聲加工后的表面紋理更加均勻，表面更加平整，表面粗糙度值為45 nm。這主要是因?yàn)槭┘映曊駝?dòng)后，磨頭與工件的接觸方式由普通研磨的直接接觸變成了超聲研磨的間歇式接觸，從而降低了磨削力，促進(jìn)了加工中的散熱和排屑，減少了磨屑對(duì)表面造成的損傷。同時(shí)，施加振動(dòng)后金剛石磨粒的軌跡發(fā)生改變，軌跡之間相互交錯(cuò)干涉，進(jìn)而提高了去除效率，最終在工件表面留下了均勻規(guī)律的研磨軌跡，提高了工件表面質(zhì)量。

3.1 主軸轉(zhuǎn)速對(duì)表面粗糙度的影響

為探究主軸轉(zhuǎn)速對(duì)SiCp/Al研磨表面粗糙度的影響規(guī)律，在研磨深度為1 μm，進(jìn)給速度為20 mm/min，磨料粒度為5.5 μm的超聲振動(dòng)下進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)每次研磨后的表面選取3個(gè)不同位置作為測(cè)量點(diǎn)，對(duì)測(cè)量結(jié)果取平均值作為研磨表面的粗糙度值。圖7為表面粗糙度隨主軸轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。如圖7所示：當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速從600 r/min增大到1 800 r/min時(shí)，被加工表面的粗糙度隨主軸轉(zhuǎn)速的增大而減??；當(dāng)轉(zhuǎn)速從1 800 r/min增大到3 000 r/min時(shí)，被加工表面的粗糙度隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大而增大；轉(zhuǎn)速在1 800 r/min時(shí)，表面粗糙度最小為36 nm。當(dāng)轉(zhuǎn)速低于1 800 r/min，且在低轉(zhuǎn)速時(shí)，研磨速度低，單位時(shí)間內(nèi)磨粒參與研磨的次數(shù)少、單顆磨粒的研磨面積大，工件表面殘留痕跡深，因此研磨后的表面粗糙度的值較大；隨著轉(zhuǎn)速的增大，研磨速度增大，單位時(shí)間內(nèi)磨粒參與研磨次數(shù)增多，而且單磨粒的研磨厚度變小，研磨力減小，使得研磨表面更加平整，從而降低了粗糙度值。而當(dāng)轉(zhuǎn)速超過1 800 r/min時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速的增大，研磨速度過大，導(dǎo)致磨頭磨損加劇，研磨區(qū)域溫度過高，磨屑受熱變軟繼而黏附在被加工區(qū)域，聚集的切屑對(duì)研磨表面產(chǎn)生劃擦導(dǎo)致被加工表面粗糙度值變大。

圖7 表面粗糙度隨主軸轉(zhuǎn)速的變化Fig.7 Variation of surface roughness with spindle speed

3.2 進(jìn)給速度對(duì)表面粗糙度的影響

為探究進(jìn)給速度對(duì)研磨表面粗糙度的影響規(guī)律，設(shè)定轉(zhuǎn)速為1 800 r/min，研磨深度為1 μm，磨料粒度為5.5 μm的超聲振動(dòng)下。圖8為在超聲振動(dòng)下表面粗糙度隨進(jìn)給速度的變化規(guī)律。從圖8可以看出：隨著進(jìn)給速度的增大，被加工表面的粗糙度增大；當(dāng)進(jìn)給速度從5 mm/min 增大到60 mm/min時(shí)，工件表面粗糙度從35 nm增大到108 nm。這是由于進(jìn)給速度較小時(shí)，磨頭在工件表面的研磨軌跡重疊交涉，研磨軌跡較為密集，能夠均勻覆蓋被加工表面，使工件被研磨得更加充分。在1個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)，磨粒去除材料的面積小，研磨力低，被加工表面的損傷少，使得加工后的工件表面均勻平整。隨著進(jìn)給速度的增大，磨頭在被加工表面上的加工時(shí)間縮短，磨粒在被加工表面上的研磨痕跡重疊交叉的程度降低，無法對(duì)被加工表面進(jìn)行充分均勻地研磨。且增大進(jìn)給速度，使得磨粒在1個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)的去除面積增大，研磨力增大，導(dǎo)致被加工表面的SiC顆粒脫落現(xiàn)象更明顯、破碎程度加劇，降低了被加工表面的質(zhì)量[16]，使被加工表面粗糙度值變大。

圖8 表面粗糙度隨進(jìn)給速度的變化Fig.8 Change of surface roughness with feed rate

3.3 研磨深度對(duì)表面粗糙度的影響

在主軸轉(zhuǎn)速為1 800 r/min，進(jìn)給速度為20 mm/min，磨料粒度為5.5 μm時(shí)，表面粗糙度隨研磨深度的變化規(guī)律如圖9所示。由圖9可知：當(dāng)研磨深度從1 μm增加到4 μm時(shí)，被加工表面的粗糙度隨之增大；在研磨深度為1 μm時(shí)，工件的表面粗糙度最小為34 nm。這是因?yàn)樵谄渌庸?shù)不變的情況下，較小的研磨深度使得加工中產(chǎn)生的碎屑更容易從加工區(qū)域排出，對(duì)被加工區(qū)域產(chǎn)生的影響較小。同時(shí)較小的研磨深度產(chǎn)生的研磨力低，減少了SiC顆粒的脫落和破碎的數(shù)量，使表面完整性更好。隨著研磨深度的增大，超聲振動(dòng)的間歇加工優(yōu)勢(shì)被削弱，排屑減慢，磨頭磨損加快，表面擠壓程度加重，SiC顆粒脫落和表面破碎加劇，工件表面被留下較多的劃痕和凹坑，表面粗糙度隨之增大，且隨著研磨深度的增大，這種趨勢(shì)越發(fā)明顯。

圖9 表面粗糙度隨研磨深度的變化Fig.9 Change of surface roughness with lapping depth

3.4 磨料粒度對(duì)表面粗糙度的影響

為了探究超聲振動(dòng)研磨SiCp/Al中磨粒粒度對(duì)表面粗糙度的影響，將磨料粒度分別設(shè)為6.5 μm，5.5 μm和4.5 μm，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為1 800 r/min，進(jìn)給速度為20 mm/min，研磨深度為1 μm時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。由圖10可知：隨著磨粒粒度的減小，被加工表面粗糙度呈下降趨勢(shì)。這主要是因?yàn)槟チ狭６仍酱?，其直徑越大，研磨深度不變的情況下，單磨粒對(duì)材料的去除量大，導(dǎo)致去除切屑時(shí)研磨力增大，容易造成工件表面顆粒破碎并產(chǎn)生劃痕和凹坑，影響被加工表面的質(zhì)量。隨著磨料粒度減小，其直徑減小，在磨頭上分布更加均勻。所以在同樣的研磨深度下，單磨粒對(duì)材料的去除量較少，產(chǎn)生的磨屑小，在振動(dòng)的情況下磨屑很容易被排出。因此，當(dāng)磨料粒度為4.5 μm時(shí)，表面粗糙度最小值達(dá)到38 nm。

圖10 表面粗糙度隨磨料粒度的變化Fig.10 Change of surface roughness with abrasive grain size

綜上，在本試驗(yàn)加工條件及參數(shù)范圍內(nèi)，取n=1 800 r/min,v=5 mm/min,ap=1 μm，d=4.5 μm 為最優(yōu)參數(shù)組合，在此參數(shù)組合下可獲得較低的工件表面粗糙度。

4 結(jié)論

分析超聲振動(dòng)磨粒的運(yùn)動(dòng)軌跡，進(jìn)行SiCp/Al復(fù)合材料的超聲振動(dòng)研磨試驗(yàn)，檢測(cè)加工后工件表面的粗糙度，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

（1）當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速從600 r/min增加到1 800 r/min時(shí)，被加工表面的粗糙度隨主軸轉(zhuǎn)速的增大而減小；當(dāng)轉(zhuǎn)速從1 800 r/min增大到3 000 r/min時(shí)，被加工表面的粗糙度隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大而增大。轉(zhuǎn)速在1 800 r/min時(shí)，表面粗糙度最小為36 nm。

（2）當(dāng)進(jìn)給速度從5 mm/min增大到60 mm/min時(shí)，隨著進(jìn)給速度的增大，被加工表面粗糙度從35 nm增大到了108 nm。

（3）當(dāng)研磨深度從1 μm增大到4 μm時(shí)，被加工表面粗糙度從34 nm增大到104 nm。

（4）當(dāng)磨料粒度為從6.5 μm減小為4.5 μm時(shí)，被加工表面的粗糙度隨著磨粒粒度的減小而減小，當(dāng)磨粒粒度為4.5 μm時(shí)，表面粗糙度最小為38 nm。

（5）得出最佳研磨表面質(zhì)量的參數(shù)組合為n=1 800 r/min,v=5 mm/min,ap=1 μm，d=4.5 μm。