超聲輔助磨削碳化硅鋁基復合材料改善砂輪堵塞的實驗研究*

向道輝 馬國峰 張玉龍 梁 松 周直昆 張 磊

(河南理工大學機械與動力工程學院，河南 焦作 454000)

碳化硅鋁基復合材料(SiCp/Al)是以鋁合金作為金屬基體，其中加入一定體積分數的碳化硅顆粒，經過一系列處理工藝制備的特殊材料，具有高比強度、高比剛度、高熱穩定性、高尺寸穩定性等優異性能。隨著生產成本的降低以及材料制備技術的日益成熟，高體積分數SiC 顆粒增強的鋁基復合材料已成為生產量最大和應用面最廣的金屬基復合材料，在軍工、航天、光學儀器、汽車制造和電子等行業都有著廣泛的應用前景［1-5］。但是由于基體中存在大量的SiC 增強顆粒，導致其加工性能較差，現有的常用加工方法存在成本高、精度低、表面粗糙度值大等問題［6］。磨削是碳化硅鋁基復合材料精密加工的常用手段之一。然而在磨削加工中砂輪的堵塞是普遍現象，要完全防止堵塞是不可能的［7］，尤其對于碳化硅鋁基復合材料，磨削加工時會產生大量的熱，僅有很少的熱量被磨屑帶走，大部分熱量傳到了工件當中，這使得加工區域溫度升高;又由于鋁基體熔點低，易熔化，熔化的鋁基體會涂覆或與磨屑一起粘結在砂輪表面上堵塞砂輪，因此研究磨削碳化硅鋁基復合材料時砂輪的堵塞機理具有極其重要的應用價值。通常影響砂輪堵塞的因素有:被加工材料的物理、力學性能，以及切削液、砂輪類型和加工條件等。

超聲輔助加工是將超聲振動與傳統的機械加工相結合的一種新興的加工方法，它將高頻超聲振動附加在刀具或加工工件上，利用超聲振動能量改變去除機理，改善加工過程及加工效果。國內外許多學者的研究已經證明超聲振動對解決磨削加工中砂輪的堵塞問題具有積極的影響［8-9］，但是針對鋁基復合材料超聲振動砂輪堵塞情況研究得還較少。因此，本文采用在砂輪上加載軸向超聲振動，分別在超聲輔助條件下和普通條件下對碳化硅鋁基復合材料進行精密磨削，觀測對比不同條件下砂輪的堵塞形式，并通過對比在超聲和普通狀態下砂輪的堵塞類型，探究砂輪的堵塞體積與磨削參數的關系，并且通過正交試驗對砂輪的磨削過程進行優化，得出最優的磨削參數組合。

1 砂輪堵塞的形成機理

砂輪堵塞是在磨削過程中磨粒與工件的相互作用磨除工件部分的磨屑沒有及時排除，而是粘附或者是依附在磨粒的周圍以及磨粒與磨粒之間的氣孔處的物理現象。磨屑熔結在磨粒及結合劑上的堵塞狀態稱為粘著型堵塞，是在磨屑與磨粒之間產生化學粘合，然后磨屑之間在機械粘力和壓力作用下相互熔焊形成的。磨屑嵌塞在砂輪工作表面的空隙處的堵塞狀態稱為嵌入式堵塞，其中磨屑與磨粒之間無化學粘著作用發生，這是磨削加工中最常見的堵塞類型。以上兩種堵塞方式共同存在的狀態稱為混合型堵塞［10］。

磨削加工有一個很重要的特點:法向磨削分力Fn大于切向磨削分力Ft，一般的刀具切削加工中Fn/Ft＜1，而磨削中Fn/Ft＞2～10，工件材料越硬，塑性越小，比值越大。這樣較大的法向磨削分力將磨屑壓進砂輪表面的空隙當中，形成了堵塞［11］。當砂輪堵塞到一定程度后，其切削能力明顯下降，容易出現明顯的振動和噪音，甚至發生燒傷現象。在磨削碳鋼時，磨粒的鋒刃被逐漸抹掉，在磨粒上形成很多小平面，隨著磨削的進行，該平面逐漸增大，導致作用在磨粒上的摩擦力也不斷增大，當大到足以使磨粒斷裂或脫落時，磨屑和脫落的磨粒嵌塞在砂輪空隙中形成嵌入式堵塞。磨削碳化硅鋁基復合材料時，由于磨削區溫度很高，導致受熱軟化的鋁基體和磨屑粘附在磨粒的鋒刃上，隨著粘著物的迅速增長，工作磨粒、結合劑、空隙處都被粘著物覆蓋，導致磨削條件惡化，形成粘著型堵塞。

超聲輔助加工技術是一種典型的復合加工技術，在加工過程中，通過在刀具上施加超聲振動，使工具與被加工材料的接觸狀態和作用機制發生變化，主要通過機械切削作用、高頻微撞擊作用以及超聲空化作用等進行材料去除。在刀具超聲振動狀態下，材料的去除機理發生改變，工具與工件之間的摩擦力減小，工具與工件的作用時間縮短，工具對工件的切削去除作用增強，從而可有效提高材料去除率，減小切削力，降低切削熱，減少刀具磨損，改善加工精度和質量［12］。

2 試驗裝置與砂輪檢測方法

本試驗在立式加工中心(主軸轉速50～8000 r/min;功率7.5/11 kW)上進行，裝置示意圖如圖1。砂輪采用粒度180#的分塊式樹脂結合劑金剛石杯型砂輪，濃度為100%，r=13 mm;為了更貼近實際的加工情況，碳化硅鋁基復合材料(體積分數大于60%)尺寸取140 mm ×70 mm ×30 mm，這樣磨削工件寬度大于砂輪直徑，屬于全接觸磨削，磨削條件更為惡劣;磨削液:5%乳化液;砂輪修整工具:SiC 磨石塊(#200);超聲波振動:功率75%，振幅10 μm，頻率36.467 kHz，振動方向沿著砂輪軸向上下振動;磨削前后砂輪表面的微觀形貌采用基恩士公司超景深顯微鏡(KEYENCE VHX-2000)觀察，通過3D 拼接砂輪表面磨粒與磨屑的三維微觀圖像，輔助計算砂輪堵塞體積。

3 砂輪堵塞試驗

3.1 磨削深度對砂輪堵塞的影響

分別在普通磨削條件與超聲輔助磨削條件下，運用分塊式樹脂結合劑金剛石杯型砂輪對碳化硅鋁基復合材料進行平面磨削，磨削深度分別取3 μm、6 μm、9 μm、12 μm。當磨削完一組參數后取下砂輪，通過超景深顯微鏡對砂輪的端面進行觀察。圖2、圖3 分別為在相同的放大倍數下，普通磨削條件與超聲輔助磨削條件下砂輪表面形貌在不同磨削深度時的變化。

根據圖2 可知，不同磨削深度下砂輪表面都有不同程度的堵塞發生，在磨削深度3～9 μm 時，隨著磨削深度的增大，砂輪粘附堵塞的程度逐漸減小;而磨削深度為12 μm 時，砂輪的堵塞程度顯著增大。分析其原因:在磨削深度為3 μm 時，隨著磨削的進行，磨粒被不斷磨鈍，單顆磨粒與工件的接觸面積不斷增大，而此時砂輪與工件的接觸幾乎處于兩個平面相互擠壓的狀態，在單次磨削量很小時，造成的磨屑也非常小，極易堵塞在砂輪的空隙之間，而且不易被排除，這就造成磨屑嚴重粘附在砂輪的表面。特別是當砂輪不斷磨損時，砂輪與工件的接觸面將不斷增大，磨屑會更加難排除，磨屑粘附現象將更為嚴重，砂輪的堵塞現象也更為嚴重，這就出現圖2a 中的現象。而當磨削深度增加到一定程度時，由于砂輪的自勵性，磨損的磨粒會不斷脫落，導致粘附在磨粒表面的磨屑也脫落，這就出現了圖2a～c 中磨屑粘附堵塞逐漸減小的現象。圖2d 中磨屑粘附堵塞的現象比圖2a～c 都嚴重，說明在用W28的樹脂結合劑金剛石砂輪磨削碳化硅鋁基復合材料時，當單次磨削深度為12 μm 時，砂輪的堵塞程度超出了砂輪的自勵能力，磨粒磨耗磨損非常嚴重，相當于兩個平面直接接觸，磨屑極難排除，此時磨屑的粘附堵塞就尤其嚴重。

圖3 中超聲輔助磨削與圖2 中普通磨削的砂輪在不同磨削深度時，砂輪工作表面形貌特征的發展趨勢基本一致。隨著磨削深度的不斷增加，砂輪的磨耗磨損也隨之增加，而當磨削深度超過砂輪的自勵能力后，砂輪磨屑粘附堵塞和磨粒的磨損相當嚴重。對比圖2與圖3 砂輪在不同磨削深度時端面形貌的特征可以發現，在相同的磨削參數下，超聲輔助磨削可以有效地改善砂輪的堵塞狀況，延長砂輪的使用壽命。這是因為在超聲輔助磨削加工過程中，由于砂輪端面始終做高頻振動，切屑很難依附或粘接在砂輪表面。一方面，由于砂輪的軸向超聲振動，振幅與磨削深度在同一個方向上，在砂輪遠離工件表面的過程中，相當于磨削深度減小或為負值，這有利于磨屑從砂輪與工件的接觸區排出。另一方面，在超聲輔助磨削加工過程中，砂輪撞擊工件的同時，還撞擊磨削產生的切屑，在撞擊的過程中，工件和切屑也會對砂輪表面起到一定的清潔作用，將砂輪表面已經粘附的切屑去除，進一步減少砂輪表面的堵塞。

3.2 正交試驗法研究不同磨削參數組合對砂輪堵塞的影響

砂輪在磨削過程中影響磨損的變量比較多，但是變化量相對都是比較微小的。為了更好地說明試驗結果，假設在每次磨削試驗過程中砂輪的磨粒破碎、磨粒脫落以及粘結劑的破碎量都是一致的。

本試驗中使用分塊式樹脂結合劑金剛石杯型砂輪對碳化硅鋁基復合材料進行平面磨削。通過超景深顯微鏡測量磨屑在磨粒間氣孔中的堵塞體積。在每組試驗之后，用超景深顯微鏡對砂輪端面進行三維合成，在相同的放大倍數下，利用軟件計算出鏡頭范圍內砂輪表面的體積，如圖4 所示，再通過比例計算出每組試驗中砂輪堵塞的體積。每組試驗后將用過的砂輪用丙酮在超聲霧化條件下進行清洗，將磨屑完全去除，再進行下一輪的試驗。試驗中采用正交試驗法，分析研究超聲輔助磨削條件下不同磨削參數對砂輪堵塞的影響，并通過正交試驗優化砂輪的磨削過程，得出最優磨削參數。

本試驗考察3 個磨削參數:砂輪線速度、進給速度、磨削深度對砂輪堵塞體積的影響，每個因素取3 個水平進行試驗。在實驗操作中每個因素應該考察4 個水平，但是在實際試驗中，當磨削深度再增加的時候，砂輪容易出現卡刀，不能進行磨削。為了體現試驗規律的準確性，本試驗對每個因素考察3 個水平。因素和試驗水平參數如表1 所示。

表1 磨削因素與試驗水平參數表

把表1 中的3 個磨削因素隨機放到正交試驗表的前3 列，第4 列作為空白列，各因素的水平數按L9(34)表的規定位置填寫，得到表2。

4 試驗結果及分析

分別用A、B、C 表示每個因素的3 個水平，按表2的各試驗號中規定的水平組合進行試驗，本試驗總共做9 個試驗，試驗結果見表2 中所示。由表2 正交試驗結果可知，3 個磨削參數的極差值由大到小依次為:進給速度＞砂輪線速度＞磨削深度，說明進給速度對砂輪堵塞體積的影響最大，砂輪線速度次之，磨削深度的影響最小。為了更清晰地分析各個磨削參數對砂輪堵塞的影響，利用各參數水平變化值作為橫坐標，以其試驗指標平均值ki為縱坐標，得到圖5～7，說明了各個磨削參數對砂輪堵塞體積的影響。

從圖5 中看出，隨著砂輪線速度的增加，砂輪的堵塞體積是逐漸減少的，而當砂輪線速度位于4.08～5.44 m/s 區間時，砂輪的堵塞體積減少的速率比砂輪線速度位于2.72～4.08 m/s 區間時要大，這說明隨著砂輪線速度的增加，砂輪單位時間內磨除工件材料的體積減少。這是由于隨著砂輪線速度的增加，磨粒的最大切深減小，切屑變薄，切屑的截面積減小，磨削溫度升高。一方面，磨屑更容易進入砂輪磨粒間的氣孔處，或者是依附在磨粒微刃的后刀面上，加劇堵塞;另一方面，由于砂輪線速度的增加，促使砂輪磨損加劇，磨粒和結合劑的破裂脫落導致粘附在其上的磨屑也跟著脫落，這樣就減輕了砂輪的堵塞。后者的效應大于前者，綜合來看，隨著砂輪線速度的提高，砂輪的堵塞體積減小的斜率不斷增大。

表2 正交試驗及結果分布

從圖6 中可以看出隨著砂輪進給速度的增加，砂輪的堵塞體積在不斷增加。當進給速度在20～30 mm/min 區間時，砂輪堵塞量增加的斜率大于進給速度在30～40 mm/min 時的斜率，這說明隨著進給速度的提高，砂輪磨削加工的材料去除率也增高，單位時間內產生的磨屑將增多，同時粘附在磨粒后刀面的磨屑和鑲嵌在砂輪表面氣孔之間的磨屑也相應增加，而磨削液去除磨屑的作用是一定的，這就增加了砂輪的堵塞量;其次，隨著砂輪進給速度的增加，磨削區產生很高的溫度，再加上磨屑的增加，磨削液的冷卻作用減弱，增加了磨屑的熔結，大量的磨屑熔結在氣孔處和粘附在磨粒上就增大了排除的難度，導致砂輪的堵塞體積增加。當砂輪堵塞到一定程度時，磨粒漸漸失去了切削能力，所以砂輪的堵塞量就不再增加了?？紤]到加工效率的原因，沒有選擇比20 mm/min 更低的進給速度。從圖6 中看出，當進給速度為20 mm/min 的時候砂輪的堵塞量最少，所以在本次試驗中最佳的進給速度為20 mm/min。

從圖7 中可以看出，隨著磨削深度的增加，砂輪的堵塞體積在逐漸減少，當磨削深度在0.009～0.012 mm 區間時，砂輪堵塞體積減少的斜率大于磨削深度在0.005～0.009 mm 區間。這就說明:一方面，當磨削深度小時，磨屑的體積也小，小體積的磨屑更容易嵌塞在磨粒之間和砂輪表面的氣孔中，不易被排出，增加了砂輪的堵塞量。另一方面，隨著磨削深度的不斷增加，砂輪的材料去除率也不斷增大，導致磨屑的體積增大，磨屑不容易嵌塞進磨粒之間和砂輪表面的氣孔中，同時磨屑粘附在磨粒上的粘附力將會減小，那么磨屑就更容易隨著超聲振動或者是磨削液的沖擊力被排出去，這就減輕了砂輪的堵塞程度。于是可以看到，當磨削深度在0.012 mm 時砂輪堵塞體積曲線減小的斜率非常大。從圖7 中可以看出，在本次試驗中，當磨削深度為0.012 mm 時砂輪的堵塞體積最小，所以在本次試驗中最佳的磨削深度為0.012 mm。

5 結語

本文利用超聲輔助磨削試驗裝置，分別研究了普通條件下和超聲輔助條件下粒度為180#樹脂結合劑金剛石杯型砂輪對碳化硅鋁基復合材料進行精密磨削時砂輪的堵塞機理，并且分析了超聲振動減緩砂輪堵塞的影響機理，得到以下結論:(1)普通條件和超聲輔助條件下，砂輪的主要堵塞類型都是粘著型堵塞;(2)超聲振動能顯著改善砂輪的堵塞狀況，延長砂輪的使用壽命;(3)超聲輔助條件下磨削參數中進給速度對砂輪堵塞體積的影響最大，砂輪線速度次之，磨削深度的影響最小，通過正交試驗法得出了最優的磨削參數組合為:砂輪線速度5.44 m/s、進給速度20 mm/min、磨削深度0.012 mm。即在此磨削參數下用粒度為180#樹脂結合劑金剛石杯型砂輪在超聲輔助條件下磨削碳化硅鋁基復合材料，砂輪的堵塞體積最小，最有利于延長砂輪的壽命，改善工件的加工質量，達到最優的加工效果。

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