超聲振動對磨削砂輪表面形貌參數(shù)的影響及其修整效果評價研究

連順禹,楊綠,劉沖,吳懷超

貴州大學機械工程學院

1 引言

超聲振動輔助磨削具有磨削力小、材料去除效率高、表面粗糙度低和表面損傷小等突出優(yōu)勢,廣泛應用于難加工材料的高效精密磨削加工中[1]。超聲振動磨削主要是利用附加在砂輪上的超聲振動使磨粒與工件表面的相對運動軌跡發(fā)生改變,增加材料去除行程。另外,超聲振動在磨削液中產(chǎn)生的空化效應有利于砂輪表面磨粒間磨屑的排出和磨粒黏附物的脫落,從而保持砂輪表面容屑空間和磨粒突出高度的一致性,達到降低磨削力并提高磨削表面質(zhì)量的作用[2],具有原位修整的特征。

砂輪修整對于高效精密磨削過程起到至關(guān)重要的作用,國內(nèi)外學者對其進行了廣泛的研究。焦峰等[3]針對砂輪修整技術(shù)總結(jié)了三類砂輪修整方式:機械修整、特種修整、復合修整,利用第三方工具與設備對砂輪形貌等進行處理,從而達到提升修整精度與效率的作用。伍俏平等[4]則利用在線電解修整技術(shù)對多層釬焊金剛石砂輪表面進行修整,使其表面磨粒及時脫落,最終使磨粒更鋒利。Kitzig H.等[5]研究了小粒度砂輪在超聲振動周期內(nèi)的單磨粒磨削加工,從而生成了較多的鋒利切削刃,達到了對砂輪修整的效果,在磨削參數(shù)不變的情況下,獲得較低的表面粗糙度。Godino L.等[6]對氧化鋁陶瓷砂輪磨削磨損前后的形貌參數(shù)進行了檢測和比較分析,結(jié)果表明,砂輪表面的形貌參數(shù)Spk,Svk,Sk可以用來表征砂輪的磨損程度。Nguyen A.T.等[7]則對砂輪表面形貌參數(shù)和磨削表面粗糙度之間的相關(guān)性進行了試驗研究,結(jié)果表明,砂輪表面形貌參數(shù)Sds,Ssc以及Sq與表面粗糙度相關(guān),證明了砂輪的磨削性能可以用砂輪表面形貌參數(shù)進行量化表征。通過總結(jié)國內(nèi)外學者對砂輪修整方面的研究可知,為了達到砂輪“橫密縱疏”的表面效果,大量學者研究了各種單一或復合修整方法,也進行了形貌參數(shù)相關(guān)的觀察與分析,解釋了不同修整機理[8]、修整參數(shù)[9]對修整效果的影響規(guī)律等,在一定程度上提高了砂輪的修整效率及表面質(zhì)量[10]。然而,與普通磨削(TG)相比,超聲振動磨削(UVG)方式下砂輪表面形貌參數(shù)的變化規(guī)律研究較少,且缺少超聲振動輔助磨削原位修整作用效果量化評價參數(shù)方面的研究。

為此,本文對比了TG和UVG磨削砂輪修整后的形貌參數(shù)變化,并結(jié)合磨削力和磨削表面粗糙度的試驗結(jié)果,通過灰色關(guān)聯(lián)法對砂輪表面形貌參數(shù)與磨削力、表面粗糙度進行了關(guān)聯(lián)度分析,最終按關(guān)聯(lián)度排序提出了修整效果評價建議指標。

2 UVG和TG對比試驗

依托小型立式加工中心V850和自主搭建的超聲振動輔助ELID磨削裝置,研究不同磨削深度下UVG和TG磨削力和表面粗糙度的變化規(guī)律。試驗工件材料選用M42高速鋼,試驗參數(shù)見表1。

表1 試驗參數(shù)

UVG和TG在不同磨削深度下的磨削力結(jié)果見圖1。由圖可見,隨著磨削深度的增加,UVG和TG的法向和切向磨削力均呈增加趨勢。同時,UVG磨削在1～3μm的磨削深度下法向和切向磨削力均小于TG,且相較于普通磨削下降了約24%。

圖1 不同磨削深度的法向和切向磨削力

在磨削加工后,利用Bruker白光干涉儀分別對UVG和TG磨削高速鋼軋輥材質(zhì)工件表面形貌進行了測量,結(jié)果見圖2,圖中測量區(qū)域尺寸為0.9mm×1.2mm。

(a)UVG

由圖3可知,超聲振動磨削(UVG)磨削表面粗糙度在磨削深度1～3μm時均優(yōu)于普通磨削(TG)。UVG工件磨削力與表面粗糙度較TG均有下降,一方面原因在于磨粒與工件的相對運動軌跡發(fā)生了變化,使切向力分量下降;另一方面在于超聲振動在磨削液中產(chǎn)生的空化效應[10],有利于磨粒間磨屑和磨粒上的黏附物排出和脫落,從而保持了砂輪表面的容屑空間和磨粒銳性,最終導致磨削力減小。為了揭示超聲振動輔助磨削對砂輪表面形貌的影響,本文對比研究了超聲振動輔助磨削和普通磨削砂輪表面形貌參數(shù)的變化規(guī)律。

圖3 不同磨削深度的高速鋼工件表面粗糙度

3 砂輪修整形貌參數(shù)選取及分析

3.1 表面形貌測量

在進行UVG和TG磨削試驗后,使用Bruker白光干涉儀分別對UVG和TG磨削的砂輪表面形貌進行了測量(見圖4)。每間隔0.09mm進行1次測量,得到10組形貌輪廓數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)平均化處理,最終繪制磨削表面輪廓曲線見圖5。

(a)超聲振動磨削

圖5 UVG和TG砂輪表面輪廓和粗糙峰高度分布

超聲振動砂輪修整后,不同磨削深度下的砂輪形貌參數(shù)值和TG砂輪形貌參數(shù)值對比見圖6。由圖6可知,UVG較TG砂輪表面輪廓更低,且峰高平均集中在0～2μm,既保證了工件磨削的表面質(zhì)量,又起到對砂輪表面進行原位修整的作用,具體體現(xiàn)在砂輪表面形貌參數(shù)變化規(guī)律上。選取Sa,Sku,Sq,Ssk,Sk,Spk,Svk,Sds以及Ssc作為評價砂輪修整效果的考察參數(shù),各參數(shù)含義見表2。

(a)磨削深度1μm

表2 砂輪形貌參數(shù)定義

由于各形貌參數(shù)數(shù)值量級不同,采用初值化處理數(shù)據(jù)方法進行量綱化處理,其計算式為

(1)

式中,An和an為量綱化前后的數(shù)據(jù);a0為第一個數(shù)據(jù),作為參考數(shù)據(jù)。

將普通磨削的砂輪形貌數(shù)據(jù)作為初始數(shù)據(jù),當磨削試驗深度分別為1μm,2μm,3μm時,測量砂輪形貌參數(shù)值見表3。

表3 TG砂輪表面形貌數(shù)據(jù)

分析圖6可得表4,隨著磨削深度的增加,砂輪表面形貌參數(shù)Sa,Sq,Sk,Spk,Ssc均呈減小趨勢,表明砂輪粗糙峰高降低,原因為超聲振動作用使得砂輪表面磨粒運動軌跡發(fā)生了變化,并且在磨削過程中較高磨粒更多地參與磨削,更易發(fā)生磨損和脫落,從而使得整體磨粒高度與粗糙峰更加均勻,改善了其表面形貌;相反,參數(shù)Svk,Ssk,Sds,Sku均明顯增大,砂輪表面的容屑空間及單位有效磨粒密度增大,表明超聲振動空化效應使砂輪表面磨屑最大化被清除,從而提升了砂輪的銳性,達到了對砂輪原位修整的效果。

表4 磨削深度與修整參數(shù)變化規(guī)律

分析砂輪修整形貌參數(shù)和磨削力、磨削表面粗糙度之間的變化規(guī)律發(fā)現(xiàn),砂輪形貌參數(shù)受到超聲振動的影響使得表面粗糙峰有所降低,隨著磨削過程的進行,逐漸鈍化的磨粒又因超聲振動作用而脫落或磨損,達到了對砂輪修銳的效果;因此超聲振動修整后的部分砂輪形貌參數(shù)會呈現(xiàn)上升或下降的趨勢,故利用砂輪修整形貌參數(shù)來量化說明砂輪的修整效果可行。

3.2 超聲振動砂輪修整的評價指標

通過以上分析可知,UVG磨削力和磨削表面粗糙度較TG均有改善,表明超聲振動砂輪修整效果顯著;同時,修整后的砂輪表面形貌也與普通磨削存在明顯差異,因此,通過研究砂輪形貌參數(shù)與磨削力、磨削表面粗糙度之間的關(guān)聯(lián)程度,可將關(guān)聯(lián)度排名前三的形貌參數(shù)作為評價砂輪修整效果的指標。

灰色關(guān)聯(lián)法可以判斷系統(tǒng)中的多個因素間的關(guān)聯(lián)程度,通過關(guān)聯(lián)度大小排序,最終得到影響目標因素的主次因素。因此,基于砂輪表面形貌參數(shù)較多的特點,利用該方法得到上述砂輪表面形貌參數(shù)同磨削力、磨削表面粗糙度之間的關(guān)聯(lián)程度。

將上述砂輪表面形貌參數(shù)作為灰色關(guān)聯(lián)法的原始指標,式(2)表示在TG和UVG磨削下砂輪表面形貌參數(shù)構(gòu)成的數(shù)學模型,以此模型作為初始矩陣,對應的磨削力和磨削表面粗糙度構(gòu)成的母序列可表示為

(2)

利用數(shù)值分析軟件進行灰色關(guān)聯(lián)分析,可得到各參數(shù)與磨削力、磨削表面粗糙度之間的關(guān)聯(lián)度大小為

(3)

經(jīng)過灰色關(guān)聯(lián)法數(shù)值分析后得到砂輪表面形貌參數(shù)與磨削力以及表面粗糙度的關(guān)聯(lián)度結(jié)果(見表5)。參考文獻[11]對關(guān)聯(lián)度強弱的劃分方法,即關(guān)聯(lián)度大于0.5并接近于1時,判定兩個元素關(guān)聯(lián)性強,反之判定為弱或無關(guān)。

表5 關(guān)聯(lián)度排序

由表5分析可知,與法向磨削力Fn、切向磨削力Ft和磨削表面粗糙度Ra關(guān)聯(lián)程度最大的三個砂輪表面形貌參數(shù)分別為:Spk,Sds,Ssc;Spk,Sds,Ssc;Sq,Sa,Svk。對于Fn,經(jīng)超聲振動砂輪修整后,Spk與Ssc有減小趨勢且呈正相關(guān),Sds有增長趨勢且呈負相關(guān);對于Ft,經(jīng)修整后,Spk與Ssc有減小趨勢且呈正相關(guān),Sds有增長趨勢且呈負相關(guān);對于Ra,經(jīng)修整后,Sa、Sq與Svk均有減小趨勢且呈正相關(guān)。

由砂輪形貌參數(shù)定義分析,Spk,Ssc,Sa,Sq,Svk各參數(shù)的減小說明超聲振動使砂輪表面磨粒運動軌跡發(fā)生了改變,加速較高磨粒的鈍化與脫落,從而使磨粒高度趨于一致且粗糙峰更加均勻,參數(shù)Sds的增加則表示單位面積磨粒密度增加。故綜合超聲砂輪修整前后的形貌參數(shù)變化趨勢和灰色關(guān)聯(lián)分析結(jié)果,最終確定砂輪形貌參數(shù)Spk,Sds,Ssc,Sq,Sa,Svk作為評價超聲砂輪修整的指標。

4 結(jié)語

(1)本文試驗條件下,超聲振動磨削較普通磨削的磨削力和表面粗糙度均有明顯下降趨勢,其中,加工表面粗糙度下降的原因在于超聲振動改變了砂輪表面形貌,使表面磨粒突出高度分布趨于更集中;磨削力下降的原因是磨粒運動軌跡的變化與超聲振動砂輪修整共同作用的結(jié)果。

(2)與普通磨削的磨削相比,超聲振動磨削磨削砂輪參數(shù)代表的表面粗糙峰高度有所降低,砂輪表面容屑空間與單位有效磨粒密度增加。主要原因是超聲振動使參與磨削的較高磨粒發(fā)生了磨損與脫附,磨粒間的磨屑與黏附物在空化作用下得以排出,故砂輪表面粗糙峰高度逐漸趨于集中,起到了對砂輪原位修整的作用。

(3)形貌參數(shù)Sa,Spk,Ssc,Sq,Svk,Sds主要代表砂輪表面粗糙度、粗糙峰和容屑空間,經(jīng)灰色關(guān)聯(lián)法分析表明,形貌參數(shù)Sa,Spk,Sds,Ssc,Sq,Svk可作為評價超聲振動砂輪修整效果的指標。