碳化硅陶瓷高效端面磨削試驗(yàn)研究

碳化硅(SiC)陶瓷材料具有高硬度、高耐磨性、耐腐蝕、耐高溫、密度低和導(dǎo)熱性好等優(yōu)良性能，廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)械制造、汽車零部件和國防軍工等領(lǐng)域。目前，利用金剛石砂輪磨削加工碳化硅是應(yīng)用較為廣泛的一種加工方法，國內(nèi)磨削加工主要進(jìn)行小磨削深度的試驗(yàn)研究，加工效率較低。王健等對亞磨削面損傷檢測方法進(jìn)行了深入研究，采用電鍍金剛石砂輪進(jìn)行反應(yīng)燒結(jié)碳化硅磨削試驗(yàn)，其進(jìn)給速度為100mm/min、磨削深度為0.05mm。結(jié)果表明，角度拋光法和截面顯微觀測法可對磨削亞表面損傷進(jìn)行精確直觀的檢測；賀勇等研究了單顆金剛石磨粒磨削SiC的磨削力變化，其工作臺速度為25m/min，磨削深度最大為40μm，結(jié)果表明磨粒頂錐角對磨削力有明顯影響，磨削力隨角度的增大而增大；姚旺等采用金剛石砂輪對反應(yīng)燒結(jié)碳化硅進(jìn)行了磨削研究，分析了其材料去除機(jī)理主要為脆性斷裂去除，局部材料去除方式為塑性切除。

　　本文采用金剛石砂輪對碳化硅陶瓷進(jìn)行端面磨削正交試驗(yàn)研究，試驗(yàn)參數(shù)選用低進(jìn)給速度和大磨削深度，探究了不同磨削參數(shù)對磨削力和磨削面質(zhì)量的影響規(guī)律，分析了磨削表面的損傷形式，進(jìn)一步驗(yàn)證了碳化硅陶瓷磨削加工材料去除機(jī)理，對碳化硅磨削加工具有一定的參考意義。

　　1  試驗(yàn)條件

　　試驗(yàn)機(jī)床為BV75立式加工中心，其主要性能參數(shù)見表1。

表1  BV75立式加工中心性能參數(shù)

　　試驗(yàn)選用樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪(見圖1)，砂輪直徑60mm，寬度35mm，粒度80目。利用砂輪端面進(jìn)行平面磨削，工作臺進(jìn)給方向?yàn)閄負(fù)方向(見圖2)。試驗(yàn)材料為反應(yīng)燒結(jié)碳化硅，尺寸96mm×56mm×15mm，材料力學(xué)性能見表2。

表2  碳化硅力學(xué)性能

　　試驗(yàn)主要探究磨削過程中磨削力的變化及砂輪轉(zhuǎn)速n、砂輪進(jìn)給速度v、磨削深度ap對磨削表面質(zhì)量的影響，正交試驗(yàn)因素水平選取見表3。SiC陶瓷正交磨削試驗(yàn)結(jié)果見表4。

圖1  金剛石砂輪

圖2  磨削示意圖

表3  SiC陶瓷磨削正交試驗(yàn)因素水平表

表4  正交試驗(yàn)直觀分析表

　　2  試驗(yàn)結(jié)果與分析

　　(1)磨削力

　　圖3a是磨削力隨砂輪轉(zhuǎn)速的變化曲線。由圖可知，隨著砂輪轉(zhuǎn)速的增加，磨削力總體變化趨勢增大，這是因?yàn)椴捎闷矫婺ハ鞣ǎ?dāng)轉(zhuǎn)速較高時，砂輪柄所受的預(yù)緊力對砂輪轉(zhuǎn)動的平穩(wěn)性影響較大，砂輪端面在Z方向產(chǎn)生波動，導(dǎo)致磨削力增大。圖3b和圖3c分別為磨削力隨進(jìn)給速度和磨削深度的變化曲線。由圖可知，磨削力隨進(jìn)給速度和磨削深度的增大而增大，這是由于當(dāng)進(jìn)給速度和磨削深度增大時，砂輪磨粒對碳化硅材料的摩擦磨損作用增強(qiáng)，故磨削力增大。

　　對比圖3a、圖3b和圖3c可以看出，Y方向的磨削力大于其它兩個方向的磨削力。分析不同方向磨削力產(chǎn)生的原因，單顆磨粒在某一時刻的運(yùn)動速度可以分解為沿X方向的速度和沿Y方向的速度，X方向的速度等于進(jìn)給速度，Y方向的速度等于這一點(diǎn)的線速度。由于試驗(yàn)采用的進(jìn)給速度較小，砂輪作高速轉(zhuǎn)動，Y向速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于X向速度，Y向的摩擦磨損作用強(qiáng)于X向摩擦磨損作用，故Y向磨削力大于X向磨削力。Z向磨削力主要由砂輪在Z向上的振動產(chǎn)生，由于砂輪運(yùn)動方式主要為在X-Y平面內(nèi)的進(jìn)給運(yùn)動，在Z向上的振幅較小，故磨削力較小。

(a)

(b)

(c)

圖3  磨削力隨磨削參數(shù)變化曲線

　　(2)表面粗糙度

　　圖4a是表面粗糙度隨砂輪轉(zhuǎn)速的變化曲線。由圖可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速為7000r/min時，磨削表面粗糙度遠(yuǎn)大于5000r/min和6000r/min，粗糙度隨砂輪轉(zhuǎn)速的增大而增大，磨削表面有清晰的砂輪磨粒磨痕。因?yàn)樵囼?yàn)采用砂輪端面磨削方法，砂輪柄預(yù)緊力對砂輪在X-Y平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)性有很大影響，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到7000r/min時，高速旋轉(zhuǎn)使砂輪的不穩(wěn)定性增加，單顆磨粒在磨削表面摩擦材料時的縱向振幅較大，因而磨削表面砂輪顆粒磨痕顯著增多，表面粗糙度增大。

　　圖4b是表面粗糙度隨進(jìn)給速度的變化曲線。由圖可知，進(jìn)給速度為4mm/min和5mm/min時，磨削表面粗糙度變化符合經(jīng)驗(yàn)規(guī)律，呈增大趨勢；當(dāng)進(jìn)給速度較小時，進(jìn)給速度對粗糙度的影響不大，可選用較大進(jìn)給速度，保證磨削加工效率。當(dāng)進(jìn)給速度為3mm/min時，磨削表面粗糙度值較大，由表4第7組試驗(yàn)可知，粗糙度為2.708μm，這是由于高轉(zhuǎn)速下的砂輪預(yù)緊力影響作用顯著，砂輪在高轉(zhuǎn)速下平穩(wěn)性降低，單顆磨粒在磨削表面運(yùn)動時縱向振幅增大，使得表面粗糙度較大。

　　圖4c是表面粗糙度隨磨削深度的變化曲線。由圖可知，磨削表面粗糙度隨磨削深度的增大而增大。

　　在進(jìn)給量一定時，當(dāng)磨削深度增加，材料單位時間去除體積增大，材料去除不充分，使磨削表面在材料脆性斷裂后的殘余應(yīng)力增加，故表面粗糙度增大。

(a)

(b)

(c)

圖4  表面粗糙度隨磨削參數(shù)變化曲線

　　(3)磨削加工損傷

　　圖5是采用掃描電子顯微鏡放大5000倍后的磨削表面，可以觀察到不同類型的磨削表面特征。圖5a和圖5b中均有面積較大的脆性斷裂，說明碳化硅陶瓷材料磨削加工的材料去除形式主要為脆性斷裂去除。從圖5a中可以觀察到因?yàn)槟ハ鳠岫a(chǎn)生材料“熔覆”現(xiàn)象，其上有砂輪磨粒摩擦留下的劃痕，顏色較深的黑色區(qū)域?yàn)椴牧瞎逃械脑伎锥慈毕?。從圖5b中可以觀察到磨削過程中產(chǎn)生的裂紋。觀察與磨削面垂直的側(cè)表面上邊緣，有肉眼可見的“崩邊”損傷?！氨肋叀笔翘沾杉庸ぶ谐Ｒ姷膿p傷，主要是因?yàn)樵谀ハ鬟^程中，裂紋向材料邊緣擴(kuò)展導(dǎo)致材料斷裂去除。

　　圖6是材料“崩邊”損傷的微觀形貌。從圖中可以看出，“崩邊”損傷的實(shí)質(zhì)是材料的塊狀崩碎；圖6b為碳化硅“崩邊”損傷的微觀形貌，可以看出，“崩邊”損傷也是由于材料的脆性斷裂去除造成的。

(a)                                   (b)

圖5  磨削面微觀形貌(5000×)

(a)                                     (b)

圖6  “崩邊”損傷微觀形貌

　　在碳化硅陶瓷材料磨削加工中，材料去除的主要形式是脆性去除。當(dāng)材料所受磨粒平均載荷超過其臨界切削載荷時，會出現(xiàn)橫向裂紋和徑向裂紋現(xiàn)象。隨著橫向裂紋的擴(kuò)展，材料發(fā)生脆性斷裂，最終以塊狀剝落的形式去除。在磨削加工過程中，材料去除還伴隨著塑性變形。這是因?yàn)樵谀ハ鬟^程中，磨粒與材料發(fā)生劇烈摩擦與擠壓，同時產(chǎn)生大量的熱量，當(dāng)磨粒對材料平均載荷低于碳化硅臨界切削載荷時，材料將發(fā)生塑性變形。

　　小結(jié)

　　在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，采用大磨削深度對碳化硅進(jìn)行磨削正交試驗(yàn)研究，進(jìn)一步驗(yàn)證了磨削加工材料去除機(jī)理，探究了不同磨削參數(shù)對磨削力和磨削表面粗糙度的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：

　　(1)金剛石砂輪磨削碳化硅陶瓷時，材料去除形式主要是裂紋擴(kuò)展造成的材料脆性斷裂去除，在磨削載荷小于材料臨界切削載荷時，材料會發(fā)生塑性變形。

　　(2)磨削表面的損傷形式主要有徑向裂紋、橫向裂紋和高溫熔覆；垂直磨削面的側(cè)面會出現(xiàn)“崩邊”損傷。

　　(3)在采用小進(jìn)給速度和大磨削深度磨削時，當(dāng)砂輪轉(zhuǎn)速較大，砂輪預(yù)緊力對磨削力和磨削面粗糙度的影響顯著，在轉(zhuǎn)速較高的條件下，預(yù)緊力的影響大于砂輪轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度的影響。

　　(4)大磨削深度可以獲得較好的磨削表面質(zhì)量。對比不同參數(shù)對磨削結(jié)果的影響，當(dāng)砂輪轉(zhuǎn)速5000r/min、進(jìn)給速度5mm/min、磨削深度2mm時，磨削表面質(zhì)量好。

                                                                                                                                                                                                                     原載《工具技術(shù)》  作者：劉謙  

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