SiCp/Al窄槽的銑磨實驗研究(Ⅱ)——表面粗糙度

李建廣，姚英學，趙 航，李大博

（哈爾濱工業大學機電工程學院，150001 哈爾濱）

SiCp/Al窄槽的銑磨實驗研究(Ⅱ)
——表面粗糙度

李建廣，姚英學，趙 航，李大博

（哈爾濱工業大學機電工程學院，150001 哈爾濱）

針對SiCp/Al構件加工中大去除余量、高精度的需求，以銑磨加工窄槽為對象，實驗研究電鍍金剛石砂輪銑磨加工SiCp/Al窄槽中的加工參數、銑磨工具對已加工表面粗糙度的影響.實驗分析表明:銑磨速度、進給速度、砂輪粒度和結構對SiCp/Al銑磨表面的粗糙度有顯著影響，砂輪速度對表面粗糙度的影響呈鞍型，先降后增;表面粗糙度隨進給速度的增大而增大;不開槽砂輪可獲得低粗糙度的表面.采用降低進給速度，提高砂輪速度，不開槽砂輪可獲得低粗糙度的加工表面.在實驗條件下，最佳銑磨參數組合是磨削速度9.42 m/s，進給速度20 mm/min;如采用開槽砂輪銑磨窄槽，則銑磨工具的容屑槽螺旋角可選50°.

碳化硅顆粒增強鋁基復合材料;銑磨;表面粗糙度;加工參數;銑磨工具

碳化硅顆粒增強鋁基復合材料(SiC particle reinforced aluminum matrix composite，SiCp/Al)以其優異的物理性能和機械性能，在航空航天、光學儀器、汽車、武器等領域具有廣闊的應用前景［1－2］.但由于 SiCp/Al中增強相 SiCp 的硬度高、脆性大，加工表面質量不易保證.表面質量影響著已加工表面的耐磨性、抗腐蝕性、抗疲勞破壞性，SiCp/Al屬于難加工材料，加工表面存在各種因加工而引起的缺陷，難以獲得高質量的加工表面［3］，以SiCp/Al為代表的顆粒增強復合材料的加工工藝和提高表面質量的研究受到國內外關注［4－5］.

磨削是工件高質量加工的主要手段.磨削SiCp/Al的實驗表明:由于軟的基體金屬堵塞砂輪，導致砂輪加工能力降低或失效;與超硬磨料相比，普通磨料的砂輪堵塞較輕，磨削力小，表面粗糙度值小［6］，磨削表面的粗糙度與材料的硬度呈線性關系［7］.文獻［8］磨削 Al2O3顆粒增強復合材料的實驗表明:粗粒度SiC砂輪用于粗磨時，表面粗糙度值可達到0.15～0.70 μm;細粒度的樹脂結合劑金剛石砂輪在磨削深度為1 μm時無涂敷現象，表面粗糙度在0.20～0.35 μm，表面及亞表面無裂紋和缺陷產生.文獻［9］進一步探討了燒傷機理，為提高表面質量提供了支持.在磨床上磨削加工顆粒增強鋁基復合材料可獲得比較高的表面質量，但以往研究集中在磨削性能及加工表面的質量分析上，未見有關材料去除效率和曲面加工等方面的研究報道.

本研究以SiCp/Al窄槽的高效、高精度加工需求為背景，研究大去除余量下電鍍金剛石砂輪在銑床上加工(本文稱為銑磨)SiCp/Al窄槽對表面粗糙度的影響規律，為優選加工參數和優選銑磨工具提供借鑒.

圖1 SiCp/Al銑磨加工的表面形貌和缺陷

1 實驗條件

本文主要研究加工參數和開槽砂輪對表面粗糙度的影響規律，單因素實驗研究銑磨速度、進給速度、銑磨工具螺旋角等對表面粗糙度的影響，實驗條件和銑磨工具同文獻［10］，實驗所用的銑磨工具均為不同形狀直徑10 mm的電鍍金剛石砂輪.

實驗中，表面粗糙度用北京時代集團公司研制的TR200手持式粗糙度儀測量.該粗糙度儀最小測量值為 Ra=0.025 μm，分辨力為 0.01 μm，測量誤差≤10%，可滿足實驗的測量需求.選擇已加工的窄槽側壁為測量表面，沿砂輪進給方向測量4個點的平均值作為測量實驗結果.

2 銑磨加工表面形貌分析

SiCp/Al復合材料由鋁合金基體和SiC增強顆粒組成，增強顆粒SiC和鋁基體的物理性能差別很大.鋁基體較軟，加工時易發生塑性變形;而SiCp增強顆粒硬度高、脆性大，加工中易破碎和脫落，并且脫落的SiCp有可能成為磨料.銑磨加工SiCp/Al實驗中形成的表面形貌如圖1所示.

圖2為銑磨加工SiCp/Al復合材料得到的型腔.從圖中可以看出，銑磨加工得到的型腔結構完整，切入切出口處沒有崩邊現象，銑磨工具端面可得到較側面更低的表面粗糙度值.

圖2 銑磨加工實物圖

3 表面粗糙度影響因素的實驗

3.1 銑磨參數對表面粗糙度的影響

在本研究中，銑磨參數主要涉及銑磨速度(即銑磨工具的線速度)和進給速度，采用單因素實驗研究銑磨參數對表面粗糙度的影響.實驗所用的銑磨工具為未開槽的電鍍金剛石砂輪(文獻［10］中表1的1號銑磨工具).實驗中的銑磨參數如表1所示.

表1 表面粗糙度單因素實驗參數

3.1.1 銑磨速度對表面粗糙度的影響

固定進給速度，改變銑磨速度銑磨加工SiCp/Al窄槽，并測量窄槽側壁的表面粗糙度.表面粗糙度隨銑磨速度的變化如圖3所示.

圖3 表面粗糙度隨砂輪線速度的變化對比

由圖3可知，表面粗糙度值隨銑磨線速度的變化呈馬鞍形，先呈下降趨勢，后又增大.銑磨速度的增大使銑磨工具每轉的去除量減小;單位時間有效磨粒數增加，使得溝痕的最大深度減小.隨著銑磨速度的增大磨削區域溫度升高，鋁基體軟化并涂覆在已加工表面上使得粗糙度值有所下降.

隨著銑磨速度的進一步增大，如10.47 m/s時，機床振動和銑磨工具的振動加劇，表面粗糙度值變大.

3.1.2 進給速度對表面粗糙度的影響

固定銑磨速度，改變進給速度進行窄槽銑磨實驗，進給速度對表面粗糙度的影響如圖4所示.

圖4 表面粗糙度隨進給速度的變化

由圖4可知:已加工表面粗糙度值隨進給速度近似呈線性變化.增大的進給速度使未變形切削厚度增大，單個磨粒單位時間去除的體積也增大，銑磨力增大，磨粒在工件上刻劃的溝痕深度及兩側隆起增大，導致表面粗糙度值變大.而且當進給速度增大時，SiC顆粒更易發生破碎脫落，也增大了表面粗糙度值.

3.2 銑磨工具對表面粗糙度的影響

3.2.1 磨粒粒度對表面粗糙度的影響

固定進給速度，改變砂輪線速度進行銑磨實驗，所用的銑磨工具為未開槽的電鍍金剛石砂輪，磨粒粒度分別為80#和120#(文獻［10］中表1的1號和4號銑磨工具).磨粒粒度對表面粗糙度的影響對比如圖5所示，對應的加工表面形貌見圖6.

圖5 磨粒粒度對表面粗糙度的影響

圖6 已加工表面形貌

由圖5得到:在一定范圍內，大粒度(80#)的銑磨工具的加工表面粗糙度值小于小粒度(120#)的銑磨工具.圖6中，120#磨粒的銑磨工具加工得到的表面溝痕較80#磨粒的不平整，滑擦痕跡明顯.銑磨加工窄槽時去除的材料量大，且形成封閉的空間，銑磨工具易發生堵塞.小磨粒粒度的銑磨工具的容屑空間小，磨屑不易被排出而造成砂輪堵塞，而且未排出的SiC顆粒進一步擦劃，使得表面不平整.

3.2.2 砂輪結構對表面粗糙度的影響

固定進給速度，改變銑磨速度，分別用未開槽和開槽的電鍍金剛石(文獻［10］中表1的1號和3號銑磨工具)進行窄槽銑磨實驗，銑磨工具結構對表面粗糙度的影響如圖3所示，對應的加工表面形貌見圖7.

圖7 不同結構銑磨工具的加工表面形貌

由圖7可知:開槽銑磨工具的加工表面粗糙度值大于未開槽銑磨工具的加工表面粗糙度值.開槽銑磨工具在銑磨加工時銑磨力波動較大，導致一定程度的振動，加大了表面粗糙度值.圖7(b)的表面形貌明顯地顯示了表面振動波紋.

3.2.3 容屑槽螺旋角對表面粗糙度的影響

固定進給速度，改變銑磨速度進行窄槽銑磨實驗，采用銑磨工具的螺旋角分別為40°和50°(文獻［10］中表1的2號和3號銑磨工具)，螺旋角對加工表面粗糙度的影響如圖8所示.

由圖8可知:大容屑槽螺旋角的銑磨工具加工得到的表面粗糙度值小于小容屑槽螺旋角銑磨工具的加工表面粗糙度值，銑磨速度對表面粗糙度影響不大.現象分析可詳細參考文獻［11］.從銑磨工具的結構分析看，大螺旋角的螺旋槽在銑磨工具表面上的攀升較為平緩，進入磨削區域時槽口處的銑磨寬度變化緩慢，產生的銑磨力變化小，沖擊和振動也隨之減輕.

圖8 螺旋角對表面粗糙度的影響

4 結論

1)實驗研究了銑磨參數和銑磨工具對銑磨加工SiCp/Al窄槽時表面粗糙度的影響規律.基于此規律，從減小表面粗糙度值的角度出發，對銑磨參數和所用銑磨工具進行優選.

2)利用未開槽電鍍金剛石砂輪銑磨加工SiCp/Al復合材料窄槽時，分別對銑磨速度和進給速度進行單因素實驗，發現在實驗參數范圍內，表面粗糙度值隨著銑磨速度的變化呈馬鞍形，先降低后增大，存在一個臨界速度;表面粗糙度隨著進給速度的增大而增大.在實驗參數范圍內(銑磨寬度6 mm)最佳銑磨加工參數組合是:磨削速度9.42 m/s;進給速度20 mm/min.

3)分別使用未開槽電鍍金剛石砂輪和螺旋槽電鍍金剛石砂輪進行銑磨加工窄槽實驗，并對測得的表面粗糙度值進行整理分析，發現在磨粒粒度相同的情況下，未開槽砂輪比螺旋槽砂輪加工得到的表面粗糙度小，大螺旋角的螺旋槽砂輪加工得到的表面質量要好于小螺旋角的螺旋槽砂輪，即螺旋角為50°的螺旋槽砂輪加工得到的表面粗糙度比40°的要小.

［1］KUNZ J M，BAMPTON C C.Challenges to developing and producing MMCs for space applications［J］.Journal of Materals，2001，53(4):22－25.

［2］崔巖.碳化硅顆粒增強鋁基復合材料的航空航天應用［J］.材料工程，2002(6):3－4.

［3］DABADE U A，JOSHI S S，BALASUBRAMANIAM R，et al.Surface finish and integrity of machined surface on SiCp/Al composites［J］.Journal of Material Processing Technology，2007，192/193:166－174.

［4］KILICKAP E，AKIR O C，AKSOY M，et al.Study of tool wear and surface roughness in machining of homogenised SiC-p reinforced aluminum metal matrix composite［J］.Journal of Material Processing Technology，2005，164/165:862－867.

［5］OZBEN T，KILICKAP E，CAKIR O.Investigation of mechanical and machinability properties of SiC particle reinforced Al-MMC［J］.Journal of Materials Processing Technology，2008，198(1/2/3):220－225.

［6］ANTONIOMARIA D，ALFONSO P.Comparison between conventionalabrasivesand superabrasivesin grinding of SiC-aluminium composites［J］.International Journal of Machine Tools and Manufacturing，2000，40(2):173－184.

［7］ANTONIOMARIA D I，PAOLETTI A，TAGLIAFERRI V，et al.Experimental study on grinding of silicon carbide reinforced aluminum alloys［J］.International Journal of Machine Tools and Manufacturing，1996，36(6):673－685.

［8］ZHONG Zhaowei，HUNG N P.Grinding of alumina/aluminum composites［J］.Journal of Materials Processing Technology，2002，123(1):13 －17.

［9］SUN F H，LI X K，WANG Y，et al.Studies on the grinding characteristics of SiC particle reinforced aluminum － based MMCs［J］.Key Engineering Materials，2006，304/305:261－265.

［10］李建廣，姚英學，趙航，等.SiCp/Al窄槽的銑磨實驗研究——磨削力［J］.哈爾濱工業大學學報，2012，44(7):43－46.

［11］宋振武，高航.螺旋槽砂輪磨削性能的試驗研究［J］.磨料磨具與磨削，1985(6):1－4.

Experimental research on mill-grinding SiCp/Al narrow slot Part II:surface roughness

LI Jian-guang，YAO Ying-xue，ZHAO Hang，LI Da-bo

(School of Mechatronics Engineering，Harbin Institute of Technology，150001 Harbin，China)

To meet the need on machining SiCp/Al surface with high efficiency and accuracy，with electroplated diamond grinding wheel and taking mill-grinding narrow slot as a typical example，the influence of machining parameters and mill-grinding tool on SiCp/Al machined surface roughness was experimentally investigated.The results show that the machining parameters and mill-grinding tool both have significant influence on the surface roughness.The influence of grinding speed on roughness appears saddle-shaped，i.e.decreased first，then increase while the roughness is increased as federate increasing.The grinding wheel without flutes can produce lower roughness than that with flutes.Therefore，higher grinding speed，lower federate with fluteless grinding wheel are recommended.Under the given experimental conditions，the optimum combination of machining parameters are grinding speed of 9.42 m/s and federate of 20 mm/min.And if a fluted grinding wheel will be applied to machine narrow slot，the recommended helix angle of the flutes is about 50°to achieve lower roughness.

SiCp/Al;mill-grinding;surface roughness;machining parameters;mill-grinding tool

TG506.9

A

0367－6234(2012)09－0057－05

2011－08－10.

教育部博士點基金資助項目(200802130006);2010哈爾濱

市科技創新人才研究專項資助項目(RC2010XK006003).

李建廣(1970—)，男，博士，教授;

姚英學(1962—)，男，教授，博士生導師.

李建廣，mejgli@hit.edu.cn.

(編輯 楊 波)