氧化鋁陶瓷旋轉(zhuǎn)超聲銑磨加工磨削力研究①

王 磊， 董金善， 楊林娟，

（1.南通職業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南通 226007； 2.南京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院，江蘇 南京 211816）

隨著現(xiàn)代工業(yè)快速發(fā)展，人們對工程陶瓷材料的需求日益增多。 氧化鋁陶瓷具有硬度高、熔點(diǎn)高、絕緣性能和耐蝕性能好等優(yōu)點(diǎn)，是航空航天、過程裝備、儀器儀表等領(lǐng)域的重要零部件材料［1-2］。 氧化鋁陶瓷硬度大、脆性強(qiáng)，屬于難加工材料，普通銑磨加工后工件表面損傷較嚴(yán)重，制約了其進(jìn)一步發(fā)展［3-4］。 旋轉(zhuǎn)超聲銑磨的加工方式可有效改善硬脆材料的加工性能［5-6］。文獻(xiàn)［7］基于氧化鋯陶瓷超聲磨削實(shí)驗(yàn)，研究了磨削力隨主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、磨削深度以及砂輪粒度的影響規(guī)律，并建立了磨削力模型。 文獻(xiàn)［8］建立了磨削力預(yù)測模型，同時對氟金云母材料進(jìn)行了超聲振動輔助磨削，研究了磨削力隨主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、磨削深度和超聲振幅變化的規(guī)律。 文獻(xiàn)［9］基于單晶硅材料，研究了不同超聲振動方向下超聲輔助磨削時磨削力的變化規(guī)律，并與普通磨削時的磨削力進(jìn)行了對比。

磨削力是銑磨加工性能的重要評價指標(biāo)之一［10］。目前，業(yè)界對不同工藝參數(shù)下旋轉(zhuǎn)超聲銑磨氧化鋁陶瓷磨削力影響規(guī)律的研究還不夠充分。 因此，本文以氧化鋁陶瓷為加工對象，進(jìn)行了普通銑磨和旋轉(zhuǎn)超聲銑磨對比試驗(yàn)［11］，研究了磨削力隨銑磨參數(shù)的變化規(guī)律。

1 磨粒切削機(jī)理分析

進(jìn)行銑磨加工時砂輪與工件的相對位置如圖1 所示。 砂輪作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，在超聲振動的作用下，砂輪沿著主軸軸線方向振動，同時工件沿著一定的方向和速度作進(jìn)給運(yùn)動。 砂輪表面由多顆磨粒構(gòu)成，為了能更直觀簡潔地分析加工時磨粒的切削軌跡及機(jī)理，繪制了兩顆磨粒在不同超聲功率條件下銑磨時的切削加工軌跡，如圖2 所示。 從圖2 可以看出，超聲功率0 W，即普通銑磨時，加工軌跡由兩條相互平行的直線構(gòu)成；旋轉(zhuǎn)超聲銑磨時，超聲功率為P1時，作用于砂輪上的振幅為A1，加工軌跡由兩條正弦曲線構(gòu)成，曲線與曲線之間相互交疊干涉；超聲功率增加至P2（P2＞P1）時，作用于砂輪上的振幅為A2，兩條正弦曲線的變化幅度更加明顯。 由此可見，超聲振動的引入以及不同的超聲功率使得磨粒對工件的切削軌跡發(fā)生變化，加工機(jī)理的改變會導(dǎo)致磨削力存在差異，進(jìn)而影響工件的加工性能及表面形貌。 圖2 表明，超聲功率越大，切削軌跡振幅越大，加工的表面質(zhì)量趨向于更好。

圖1 銑磨加工示意圖

圖2 磨粒切削軌跡示意圖

2 試驗(yàn)條件

本試驗(yàn)所用機(jī)床為CY-VMC850 加工中心。 超聲系統(tǒng)裝置裝夾于機(jī)床主軸處。 進(jìn)行超聲銑磨加工時，超聲電源發(fā)出高頻電信號后，基于電磁感應(yīng)原理將電能傳遞至超聲刀柄上的線圈，再經(jīng)過超聲刀柄上換能器的轉(zhuǎn)換和變幅桿的放大，最終將振動作用傳遞至砂輪上。關(guān)閉超聲電源后即轉(zhuǎn)換為普通銑磨加工。 工件材料為氧化鋁陶瓷，其長×寬×高為50 mm×50 mm×6 mm，材料性能參數(shù)如表1 所示。 刀具采用小直徑電鍍金剛石砂輪，直徑14 mm，寬度10 mm，金剛石粒度為80＃（0.178 mm）。 采用干磨的加工方式，通過調(diào)節(jié)機(jī)床工作臺進(jìn)給速度來實(shí)現(xiàn)工件進(jìn)給速度的變化，選用的工藝參數(shù)如表2 所示。 采用KISTLER-9255B 測力儀測量磨削力，采用KH-7700 超景深顯微鏡觀察工件表面形貌。

表1 材料性能參數(shù)

表2 干磨加工參數(shù)

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 超聲功率對磨削力的影響

旋轉(zhuǎn)超聲銑磨加工時磨削力隨超聲功率的變化規(guī)律見圖3。 在砂輪線速度4.02 m／s、進(jìn)給速度150 mm／min、銑磨深度7 μm 條件下，超聲功率從0 增加至90 W時，法向磨削力從4.35 N 下降至3.30 N，切向磨削力從1.03 N 下降至0.79 N，磨削力隨著超聲功率增大呈下降趨勢。 由磨粒切削軌跡分析可知，超聲振動的引入使得切削特性發(fā)生了改變，磨粒切削軌跡的干涉作用使得單位時間內(nèi)工件表面被切削的次數(shù)增多，切屑更細(xì)，工件材料得到更加有效的去除。 隨著超聲功率增大，正弦軌跡曲線的波動幅度增大，振動沖擊作用更強(qiáng)，旋轉(zhuǎn)超聲的高頻振動沖擊作用促進(jìn)了材料裂紋的生長，利于破碎去除，磨粒切入材料的難度降低，去除材料受到的阻力減小，磨削力下降。

圖3 磨削力與超聲功率的關(guān)系

圖4 為普通銑磨和旋轉(zhuǎn)超聲銑磨后工件表面形貌。 超聲功率0 W，即普通銑磨后，工件表面存在多條互相平行的深磨痕，平整均勻性差，表明較高的磨削力得到的工件表面形貌不佳；超聲功率90 W，即旋轉(zhuǎn)超聲銑磨后，工件表面只存在少許交叉重疊的正弦曲線劃痕，表面相對平整，表明超聲作用下較低的磨削力能得到較好的工件表面形貌。

3.2 砂輪線速度對磨削力的影響

旋轉(zhuǎn)超聲銑磨及普通銑磨加工時，磨削力隨砂輪線速度的變化規(guī)律如圖5 所示。 在進(jìn)給速度150 mm／min、銑磨深度7 μm 條件下，砂輪線速度從1.09 m／s 增加至5.49 m／s，普通銑磨時的法向和切向磨削力分別從7.43 N 和1.71 N 下降至3.29 N 和0.68 N，旋轉(zhuǎn)超聲銑磨時的法向和切向磨削力分別從6.28 N 和1.49 N 下降至2.62 N 和0.57 N，磨削力均隨著砂輪線速度提高呈下降趨勢。 這是由于增大砂輪線速度后，單位時間內(nèi)砂輪磨粒與工件表面接觸的次數(shù)增多，單顆磨粒的切削厚度變小，材料去除的難度減輕，切削阻力減小。此外，提高砂輪線速度也會導(dǎo)致銑磨溫度增高，一定程度上使得工件表面軟化，去除材料時受到的阻力減小，磨削力呈現(xiàn)下降趨勢。 對比分析可知，旋轉(zhuǎn)超聲銑磨時的磨削力更小，砂輪線速度4.02 m／s 時，旋轉(zhuǎn)超聲銑磨的磨削力降幅最大，其中法向磨削力可降低24.17%、切向磨削力可降低23.30%。

圖5 磨削力與砂輪線速度的關(guān)系

3.3 進(jìn)給速度對磨削力的影響

旋轉(zhuǎn)超聲銑磨及普通銑磨加工時，磨削力隨進(jìn)給速度的變化規(guī)律如圖6 所示。 在砂輪線速度1.09 m／s、銑磨深度7 μm 條件下，進(jìn)給速度從150 mm／min 增加至600 mm／min，普通銑磨時的法向和切向磨削力分別從7.43 N 和1.71 N 增加至13.36 N 和3.18 N，旋轉(zhuǎn)超聲銑磨時的法向和切向磨削力分別從6.28 N 和1.49 N 增加至11.90 N 和2.83 N，磨削力均隨著進(jìn)給速度提高而呈上升趨勢。 提高了進(jìn)給速度后，砂輪磨粒與工件表面在單位周期內(nèi)的接觸頻率減小，需要去除材料的體積更多，單顆磨粒的切削厚度增大，切削阻力增大，因此磨削力呈現(xiàn)上升趨勢。 對比分析可知，旋轉(zhuǎn)超聲銑磨時的磨削力更小，進(jìn)給速度150 mm／min 時，旋轉(zhuǎn)超聲銑磨的磨削力降幅最大，其中法向磨削力可降低15.48%、切向磨削力可降低12.87%。

圖6 磨削力與進(jìn)給速度的關(guān)系

3.4 銑磨深度對磨削力的影響

旋轉(zhuǎn)超聲銑磨及普通銑磨加工時，磨削力隨銑磨深度的變化規(guī)律如圖7 所示。 在砂輪線速度1.09 m／s、進(jìn)給速度150 mm／min 條件下，銑磨深度從7 μm 增加至22 μm，普通銑磨時的法向和切向磨削力分別從7.43 N和1.71 N 增加至23.56 N 和5.79 N，旋轉(zhuǎn)超聲銑磨時的法向和切向磨削力分別從6.28 N 和1.49 N 增加至20.37 N 和5.09 N，磨削力均隨著銑磨深度提高而呈上升趨勢。 提高了銑磨深度后，砂輪磨粒在單位時間內(nèi)去除材料的體積增多，同時切削弧長變長，單顆磨粒的切削厚度增大，材料去除時受到的阻力增大，導(dǎo)致磨削力上升。對比分析可知，旋轉(zhuǎn)超聲銑磨時的磨削力更小，銑磨深度12 μm 時，旋轉(zhuǎn)超聲銑磨的磨削力降幅最大，其中法向磨削力可降低18.36%、切向磨削力可降低21.10%。

圖7 磨削力與銑磨深度的關(guān)系

4 結(jié) 論

1） 在砂輪線速度4.02 m／s、進(jìn)給速度150 mm／min、銑磨深度7 μm 條件下，超聲功率從0 W 增大至90 W時，磨削力呈降低趨勢，表面形貌顯著改善。

2） 隨著砂輪線速度增大、進(jìn)給速度和銑磨深度減小，旋轉(zhuǎn)超聲銑磨和普通銑磨時的磨削力均呈減小趨勢。

3） 在試驗(yàn)加工參數(shù)范圍內(nèi)，旋轉(zhuǎn)超聲銑磨時磨削力均低于普通銑磨時。 砂輪線速度4.02 m／s、進(jìn)給速度150 mm／min、銑磨深度7 μm 時旋轉(zhuǎn)超聲銑磨的磨削力有最大降幅，法向磨削力降低了24.17%，切向磨削力降低了23.30%。