SiCp/Al超声辅助磨削工艺参数对加工表面质量影响研究*

梁桂强, 周晓勤, 赵菲菲

(1． 吉林大学 机械科学与工程学院， 长春 130022； 2． 昆明理工大学 现代农业工程学院， 昆明 650500)



SiCp/Al超声辅助磨削工艺参数对加工表面质量影响研究*

梁桂强1, 周晓勤1, 赵菲菲2

(1． 吉林大学 机械科学与工程学院， 长春 130022； 2． 昆明理工大学 现代农业工程学院， 昆明 650500)

摘要：为了研究磨削工艺参数对SiCp/Al复合材料加工表面质量的影响，采用超声辅助磨削的方法加工SiCp/Al工件。考虑主轴转速、进给速度和磨削深度的常用取值范围，设计了16组实验，超声辅助磨削SiCp/Al工件后，测量了工件的表面粗糙度、表面破碎率、轮廓偏斜度和轮廓陡峭度，分析了3个工艺参数对4个表面质量评价指标的影响，得到了4组加工工艺参数的最优组合。结果表明，主轴转速对4个参数的影响程度都最大，4组工艺参数的最优组合相差较大。在所选的工艺参数范围内，使工件表面粗糙度对较低的最优组合为A4B1C1，即转速为7 000 r/min，进给量为10 mm/min，磨削深度为10 μm的磨削工件表面。

关键词：加工表面质量;超声辅助磨削;工艺参数;SiCp/Al

0引言

SiCp/Al复合材料具有比强度高、耐高温、性能稳定等优点，因此在航空航天、光学精密仪器等领域得到了广泛应用[1-3]。但是SiCp/Al复合材料中含有难加工的硬脆颗粒，容易导致SiCp/Al工件的加工表面质量较差[4-5]。超声辅助磨削是加工SiCp/Al复合材料的常用方法，影响工件加工表面质量的主要磨削参数是主轴转速、进给速度和磨削深度[6]。研究各磨削参数对SiCp/Al复合材料的影响程度、进而确定最优的磨削参数，对于提高SiCp/Al复合材料的加工表面质量具有重要意义。因此，本文采用超声辅助磨削的方法加工SiCp/Al工件，研究了主轴转速n、进给速度Vf和磨削深度ap对工件加工表面质量(评价指标为表面粗糙度Sq、表面破碎率Sdr、轮廓偏斜度Ssk、轮廓陡峭度Sku)的影响。

1实验设备

本文实验的工件为SiCp/Al复合材料，工件的尺寸为20 mm×15 mm×5 mm。实验在图1(a)所示的超声机床上开展，该机床的进给分辨率为1 μm，最大超声加工转速为8 000 r/min，振幅为6～7 μm，频率为22 500 Hz。实验刀具选用电镀金刚石磨轮，直径为5 mm，刀杆的谐振长度为20 mm，刀具的金刚石粒度为126，金刚石的浓度为100，磨轮如图1(b)所示。

图1　实验机床及刀具

针对工件加工表面质量的4个评价指标，使用Talysurf CCI Lite白光干涉表面轮廓仪测量工件的表面粗糙度，使用FEI Quanta200 FEG扫描电子显微镜测量工件的表面破碎率、轮廓偏斜度和轮廓陡峭度等微观缺陷。

2结果与讨论

2.1实验方案及结果

本文以4个加工表面质量参数为评价指标，研究3个磨削参数对工件加工表面质量的影响。为了减少实验次数，同时考虑各磨削参数的常用取值，设计了表1所示的因素水平表。

表1　因素水平表

根据表1的因素水平表，设计了16组实验，实验方案如表2所示。采用表2的参数对工件进行超声辅助磨削后，测量加工表面质量的4个评价参数，测量结果同样列于表2。

通过对测量结果进行分析，可以求得各因素在各水平的平均值，各水平平均值的大小反映了各因素对加工表面质量的影响程度。通过对测量结果进行极差分析，可以得到各因素的极差大小，极差值的大小反映了各因素对加工表面质量的影响程度。极差越大，说明该因素对加工表面质量的影响越大；极差越小，说明该因素对加工表面质量的影响越小。

表2　实验方案及结果

2.2表面粗糙度Sq分析

表面粗糙度的分析结果如表3所示，主轴转速的极差值大于另外2个因素，说明主轴转速是影响表面粗糙度的最重要因素，进给速度次之，磨削深度的影响最小。在所选的工艺参数范围内，使工件表面粗糙度最低的组合为：主轴转速7 000 r/min，进给速度10 mm/min，磨削深度10 μm，采用该组参数加工的表面形貌如图2所示。另外，由均值可知，主轴转速越高，工件的表面粗糙度越低。

表3　表面粗糙度结果分析

图2最佳表面粗糙度形貌

Fig 2 Best morphology of surface roughness

2.3表面破碎率Sdr分析

表面破碎率的分析结果如表4所示，主轴转速的极差值大于另外2个因素，说明主轴转速是影响表面破碎率的最重要因素，进给速度次之，磨削深度的影响最小。在所选的工艺参数范围内，使工件表面破碎率最低的组合为：主轴转速7 000 r/min，进给速度10 mm/min，磨削深度30 μm，采用该组参数加工的表面破碎率形貌如图3所示。由均值可知，主轴转速越高，工件表面的破碎率越低。

表4　表面破碎率结果分析

图3最低表面破碎率形貌

Fig 3 Best morphology of surface breaking rate

2.4轮廓偏斜度Ssk分析

轮廓偏斜度的分析结果如表5所示，主轴转速的极差值大于另外2个因素，说明主轴转速是影响轮廓偏斜度的最重要因素，磨削深度次之，进给速度的影响最小。在所选的工艺参数范围内，使工件表面轮廓偏斜度最低的组合为：主轴转速1 000 r/min，进给速度70 mm/min，磨削深度50 μm，采用该组参数加工的轮廓偏斜度表面形貌如图4所示。由均值可知，主轴转速越低，轮廓偏斜度越低。

表5　轮廓偏斜度结果分析

图4最低轮廓偏斜度表面形貌

Fig 4 Best morphology of contour deviation

2.5轮廓陡峭度Sku分析

轮廓陡峭度的分析结果如表6所示，主轴转速的极差值大于另外2个因素，说明主轴转速是影响陡峭度的最重要因素，磨削深度次之，进给速度的影响最小。在所选的工艺参数范围内，使工件表面轮廓陡峭度最低的组合为：主轴转速1 000 r/min，进给速度70 mm/min，磨削深度50 μm，采用该组参数加工的轮廓陡峭度表面形貌如图5所示。由均值可知，主轴转速越低，轮廓陡峭度越低。

表6　加工轮廓陡峭度结果分析

图5最低轮廓陡峭度表面形貌

Fig 5 Best morphology of contour sharpness

2.6关键参数分析

根据以上分析可知，主轴转速对4个参数的影响程度都最大，进给速度对表面粗糙度和破碎率的影响程度大于磨削深度，而磨削深度对偏斜度和陡峭度的影响程度大于进给速度。由于4组最优的参数组合数值相差较大，下一步工作将研究超声辅助磨削工艺的最优参数组合，以期得到理想的加工表面质量。

3结论

(1)考虑主轴转速、进给速度、磨削深度的常用取值，设计了16组实验，采用超声辅助磨削的方法加工SiCp/Al工件，测量了工件的表面粗糙度、表面破碎率、轮廓偏斜度和轮廓陡峭度。

(2)分析了3个磨削工艺参数对4个工件表面质量评价指标的影响，得到了4组加工工艺参数的最优组合。

(3)4组最优的参数组合数值相差较大，为了得到理想的加工表面质量，后续工作将研究3个磨削工艺参数的最优组合方式。

参考文献：

[1]Sun Y L, Xie J P, Hao S M, et al. Dynamic recrystallization model of 30% SiCp/Al composite[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2015,649(15):865-871.

[2]Zhou L, Wang Y, Ma Z Y, et al. Finite element and experimental studies of the formation mechanism of edge defects during machining of SiCp/Al composites[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2014,84(9):9-16.

[3]Sahoo A K, Pradhan S. Modeling and optimization of Al/SiCpMMC machining using Taguchi approach[J]. Measurement, 2013,46(9):3064-3072.

[4]Qu S G, Lou H S, Li X Q, et al. Effect of heat-treatment on stress relief and dimensional stability behavior of SiCp/Al composite with high SiC content[J]. Materials & Design, 2015,86(12):508-515.

[5]Li P, Zhang X, Xue K M, et al. Effect of equal channel angular pressing and torsion on SiC-particle distribution of SiCp-Al composites[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2012,22(12):402-407.

[6]Wu G H, Wang X, Jiang L T, et al. A nanostructural design to produce high ductility of high volume fraction SiCp/Al composites with enhanced strength[J]. Materials & Design, 2014,61(9):141-145.

Influence of ultrasonic assisted grinding parameters on machined surface quality of SiCp/Al

LIANG Guiqiang1，ZHOU Xiaoqin1，ZHAO Feifei2

(1. College of Mechanical Science and Engineering，Jilin University，Changchun 130022，China;2. Faculty of Modern Agricultural Engineering,Kunming University and Technology，Kunming 256603，China)

Abstract:In order to research influence of grinding parameters on machined surface quality of SiCp/Al compound material, SiCp/Al workpieces were ultrasonic assisted grinded. Considering value ranges of spindle speed, feed rate and grinding depth, 16 groups experiments were designed. After ultrasonic assisted grinding SiCp/Al, surface roughness, surface breaking rate, contour deviation and contour sharpness of the workpieces were measured. Influence of the grinding parameters on the machined surface quality parameters were analyzed and 4 groups optimal process parameters were obtained. The results show that, spindle speed influences the machined surface quality greatly and the 4 groups optimal process parameters differ greatly. In order to obtain high surface quality, combination method of the grinding parameters should be further researched.

Key words:machined surface quality; ultrasonic assisted grinding; process parameter; SiCp/Al

DOI:10.3969/j.issn.1001-9731.2016.02.023

文献标识码：A

中图分类号：TG663

作者简介：梁桂强(1976-),男,长春人,博士研究生,讲师,从事航空复合材料超声辅助磨削研究。

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51465009)

文章编号：1001-9731(2016)02-02112-04

收到初稿日期：2015-12-10 收到修改稿日期：2016-01-20 通讯作者：周晓勤，E-mail: xqzhou@jlu.edu.cn