錐形工具加工C/SiC復合材料磨削力研究

耿淼 都金光

摘要：C/SiC復合材料是一種高強度，高韌性，輕質，良好的抗疲勞性和減震性，設計性強的先進材料。目前被廣泛應用于航空，航天，和其他軍事領域，并具有廣泛的應用前景。由于C/SiC復合材料加工過程中加工缺陷多、刀具磨損嚴重、加工效率低且加工成本高等問題，本文通過錐形工具磨削加工C/SiC實驗來研究不同加工參數對磨削力的影響。實驗結果通過方差分析，信噪比和主效應圖來評價;基于望小模型獲得了本次實驗參數范圍內的最佳加工參數：主軸轉速為4500r/min，進給速度為100mm/min，磨削深度為0.2mm。

Abstract： C/SiC composite material is an advanced material with high strength， high toughness， light weight， good fatigue resistance and shock absorption， and strong design. At present， it is widely used in aviation， aerospace， and other military fields， and has a wide range of application prospects. Since the processing of C/SiC composites is often accompanied by fiber break-out， chipping， burrs， tearing and delamination and other defects， as well as serious tool wear， low processing efficiency and high processing costs， this paper uses tapered tool grinding Cutting C/SiC experiment to study the influence of different processing parameters on grinding force. The experimental results are evaluated through analysis of variance， signal-to-noise ratio and main effect diagram; based on the characteristics of the small model， the best processing parameters within the parameters of this experiment are obtained： spindle speed is 4500r/min， feed speed is 100mm/min， the grinding depth is 0.2mm.

關鍵詞：C/SiC復合材料;磨削力;方差分析;主效應

Key words： C/SiC composites;cutting force;variance analysis;main effect

中圖分類號：TH16? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）16-0104-03

0? 引言

C/SiC復合材料是一種具有高強度、高韌性、輕質、耐高溫及耐磨等一系列優良的性能，可以大面積整體成型的新型高級材料，具有廣闊的應用前景。然而，C/SiC復合材料加工過程中常常伴隨著纖維斷裂-拔出、崩邊、毛刺、撕裂和分層等缺陷及刀具磨損嚴重、加工效率低且加工成本高等問題。

對于C/SiC復合材料來說，磨削加工可以有效地減少加工缺陷，并提高加工后表面質量[1]。磨削力是磨削加工中最基本的輸出信號，幾乎從根本上影響了所有磨削現象[2]。磨削力是磨削加工的一個非常重要指標，它對刀具磨損，加工精度和加工后表面都有重要的影響。磨削力常常被用來評價砂輪或磨粒切削刃磨削狀態[2-3]。對磨削力的研究可以提高對材料去除機制的認識，并對實際工程應用提供有益的建議與指導。對于加工后的表面質量，選擇合適的磨削深度和偏轉角可以獲得更好的效果[4]。Liu等[5]研究了磨削力，比磨削能量，表面形態，表面粗糙度和磨屑對磨削參數的影響。Choudhary等[6]研究了高速磨削引起的缺陷，發現將磨削速度從40m/s增加到200m/s可以減少60%的缺陷。

本文使用錐形刀具對C/SiC復合材料進行磨削加工實驗，主要分析主軸轉速、磨削深度和進給速度對磨削力的影響。實驗方法是通過田口法來設計的。實驗結果可以通過方差分析、信噪比、主效應來評價。

1? 實驗準備

1.1 實驗材料

實驗材料為二維C/SiC陶瓷基復合材料，其結構是由90°纖維與0°纖維順序層疊而成。密度為1.7g/cm3，試件長200mm，寬14mm，厚9mm。

1.2 加工工具

實驗所用的刀具為電鍍金剛石錐形工具。刀具基體材料選用45鋼，并進行調質處理。由于C/SiC硬度較高，磨料使用金剛石，磨粒粒度為80 #。錐形工具刀柄長80mm，錐度為60°，圓錐底面直徑為12mm。

1.3 實驗機床

實驗機床為法道（FADAL）有限公司生產的VMC4020C數控機床。機床工作臺行程為：1016mm×508mm×711mm;主軸轉速范圍為：0-7000rpm;主軸額定功率為：15kW;X、Y、Z軸的最大進給量為：20m/min。

1.4 切削力測量

切削力測量系統主要包括測力儀、電荷放大器、數據采集系統、采集及數據處理軟件DynoWare。切削力的采集過程中不考慮溫度和振動對數據的影響。

所用的測力儀型號為Kistler 9257B通用型固定式多分量測力儀。電荷放大器型號為Kistler 5080A，數據采集系統一端連接電荷放大器，另一端連接計算機，使用系統自帶的Dynaware軟件進行數據采集預處理，所有記錄的數據都傳輸到個人計算機內。切削力檢測系統如圖 1所示。

2? 實驗方法與設計

田口法被廣泛用于研究加工參數及其相互作用對加工特性的影響。實驗設計方法的目的是從最少的實驗中獲得最有效的信息量。實驗設計中常常使用田口法來改善產品特性或制造工藝。田口法主要使用正交陣列實驗和信噪比（S/N）進行數據分析。正交陣列實驗同時包含容納多個設計因素，并且每個因素都可以獨立于其他因素進行評估，田口方法是一種低成本、高效益的質量工程方法。信噪比是一種定量分析方法;它用來比較所需信號的電平與背景噪聲的電平。信噪比有三種不同的質量特征模型：望小模型，望大模型和名義較好的模型。在本研究中，希望加工過程中的切削力最小，即選擇望小模型。

望小模型信噪比（SN）定義：

（1）

y1，y2…yn為重復n次實驗的輸出觀測值。

在C/SiC復合材料的實驗加工中，很多因素都會影響工件的加工特性，包括刀具材質、幾何形狀尺寸和加工方式。本文主要分析加工參數：主軸轉速、進給速度和切削深度對切削力的影響。實驗采用錐形工具磨削加工C/SiC斜面，加工參數范圍可根據文獻[7]確定。因此，按照田口實驗設計方法構造三因素四水平L16（43）實驗表。（表1）

3? 結果分析

錐形工具加工C/SiC復合材料產生的的磨削力如表2所示。

3.1 方差分析

方差分析法可以區分因素水平變動引起的數據波動同試驗誤差引起的數據波動，本文通過方差分析法研究了不同輸入參數對磨削力影響的重要性。表 3為自由度、偏差平方和、平均偏差平方和及貢獻度的統計量結果。

無論是主軸轉速，進給速度和磨削深度，統計檢驗量分別為41.74、42.51和45.2，均大于F0.05，3，9=3.86，由此可知：主軸速度、進給速度和磨削深度在95%置信度區間內對磨削力均有顯著影響。為了量化每個輸入參數的影響，同時計算了主軸轉速、進給速度和磨削深度的百分比，其結果分別為32.09%、32.40%和34.74%。由此可以看出，這三個因素對磨削力的影響都是顯著的，主軸轉速和進給速度對磨削力的影響差別不大，而磨削深度對磨削力的影響最大。

3.2 信噪比分析

對于磨削力的數值，我們希望越小越好。本文采用望小模型對實驗結果進行處理。不同水平的加工參數對輸出值的影響使用信噪比來分析特性，其中信號代表理想值，而噪聲代表不良值?；诒?2，計算出對應于每個因素的不同水平的信噪比均值表（表 4）。

表 4中數值為各因素對應水平的信噪比的平均值。Delta為S/N的極差值。極差值反映因子的重要程度，極差值越大表明該因素對輸出值的影響越大，極差值越小表明該因素的改變對指標的影響越小。由表 4可以看出，磨削深度對磨削力的影響最大，進給速度次之，主軸轉速對磨削力的影響最小。不同水平的均值主效應圖和信噪比主效應圖（圖 2）用于評估輸出結果的優越性。當加工參數從低水平到高水平變化時，信噪比值隨之變化。根據望小模型，信噪比均值越高，則性能指標越好。由此，磨削力最小時的最佳加工參數選擇為：A4B1C1，即主軸轉速為4500r/min，進給速度為100mm/min，磨削深度為0.2mm。

3.3 最小磨削力的估算

經過方差分析和信噪比分析后獲得的最佳加工參數組合為A4B1C1，并由此組合計算最小磨削力。

（2）

式中：？濁為最佳加工參數下的信噪比;■為主軸轉速（A）在4水平下的信噪比均值;■為進給速度（B）在1水平下的信噪比均值;■為磨削深度（C）在1水平下的;■為所有數據的信噪比均值。

經過計算后獲得的？濁=-9.97。

結合式（1）計算得最小磨削力為3.15 N。

4? 結論

本文研究使用錐形工具對C/SiC復合材料進行磨削加工實驗。使用田口法對不同加工參數對C/SiC工件的磨削力的影響進行分析。根據方差分析，信噪比分析得到結論：磨削深度對磨削力的影響最大，進給速度次之，主軸轉速對磨削力的影響最小。基于望小模型獲得了最優加工參數組合：主軸轉速為4500r/min，進給速度為100mm/min，磨削深度為0.2mm;并計算出該加工參數組合下的最小磨削力為3.15N。

參考文獻：

[1]L Zhang， L Cheng. Discussion on strategies of sustainable development of continuous fiber reinforced ceramic matrix composites[J]. Acta Materiae Compositae Sinica， 2007， 24（2）： 1-6.

[2]塚本真也，大橋一仁，藤原貴典著.姚鵬，姚文昊譯.磨削加工技術難點與測量技術[M].北京：機械工業出版社，2018：1.

[3]任敬心，華定安.磨削原理[M].北京：電子工業出版社， 2011.

[4]S.S Qu， Y.D. Gong， Y.Y. Yang， X.L. Wen， G.Q. Yin. Grinding characteristics and removal mechanisms of unidirectional carbon fibre reinforced silicon carbide ceramic matrix composites， Ceramics International[J]， 2019， 45（3）： 3059-3071.

[5]Q. Liu， G.Q. Huang， X. Xu， C.F. Fang， C.C. Cui. A study on the surface grinding of 2D C/SiC composites[J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2017， 93（5-8）： 1595-1603.

[6]A. Choudhary， N.D Chakladar， S. Paul. Identification and estimation of defects in high-speed ground C/SiC ceramic matrix composites[J]. Composite Structures， 2020： 113274.

[7]張海振.交叉螺旋槽工具磨削C/SiC復合材料加工性能研究[D].鄭州：鄭州輕工業大學，2020.