SiC顆粒增強鋁基復合材料磨削溫度的研究

李德溥

(哈爾濱商業大學輕工學院，哈爾濱 150028)

顆粒增強鋁基復合材料具有優良的力學性能，但同時也是一種典型的難加工材料，難以對其進行后續加工是這種材料大規模推廣應用的主要障礙［1－3］.目前，切削加工是顆粒增強鋁基復合材料的主要加工方法，但由于大多數刀具材料的硬度都低于增強顆粒(SiC、Al2O3等)，切削加工中刀具磨損劇烈，造成加工成本過高［4－6］.

磨削是加工金屬和陶瓷材料的重要方法，但應用于顆粒增強金屬基復合材料加工的研究較少，在磨削溫度、磨削加工機理等方面有待于進行系統深入的 研究［7－8］.本文通過人工熱電偶法測量Al2O24/SiCp復合材料的磨削溫度，分析加工參數對其影響規律，以及磨削溫度對加工表面質量的影響，為進一步深入研究顆粒增強鋁基復合材料磨削加工技術及其應用奠定基礎.

1 實驗設計

采用人工熱電偶法測量磨削溫度.實驗時在工件上加工直徑為3 mm的盲孔，孔底距離被加工表面0.5 mm.將K類熱電偶裝入孔中，保證熱電偶金屬絲與孔底緊密接觸，用室溫固化膠305封閉孔口，如圖1所示.

熱電勢信號采集裝置由計算機、A/D卡，采集信號放大電路組成.信號放大電路如圖2所示，圖中AD623為儀表級信號放大器，HY6021為A/D卡.

圖1

實驗材料主要參數見表1.電鍍金剛石砂輪參數見表2.

圖2 信號放大電路

表1 實驗材料的主要參數

表2 電鍍金剛石砂輪的主要參數

2 結果與分析

2.1 磨削加工溫度影響因素

在磨削加工中，當工件材料和砂輪一定時，影響溫度的主要因素是加工參數，即磨削深度、砂輪轉速和進給速度.圖3～5為不同加工條件下，磨削溫度的隨主軸轉速(n)、進給速度(f)和磨削深度(ap)的變化情況.

從圖3可以看到磨削溫度隨主軸轉速的增大而增大.這是因為:增大砂輪旋轉速度，單位時間內工作的磨粒數量增多，切屑厚度變薄，切削變形能增大，產生更多的熱量.同時，磨粒與工件之間摩擦加劇，隨著摩擦作用的加劇，熱量傳導到工件的比例增大，也促使工件溫度上升.

圖3 主軸轉速對磨削溫度的影響

增大進給速度，磨屑厚度增大，變形力和摩擦力增大，產生更多的熱量，使溫度升高.但是，隨著進給速度的增大，熱源在工件表面上作用的時間縮短，使工件表面溫度有所下降.從圖4可以看出，隨著進給速度的增大，磨削溫度有較大的升高，說明隨著進給速度的提高產生了更多的熱量，而熱源移動速度的影響不大.

圖4 進給速度對磨削溫度影響

從圖5可以看出，隨著磨削深度的增大，加工表面溫度提高.在加工過程中，隨著磨削深度的增加，材料去除量相應增大，需要消耗更多的能量.在加工過程中所消耗的能量大部分轉化為接觸弧區內的熱量，導致加工溫度升高.

另外，從圖3～5也可以看出，在磨削區域內沿著深度方向溫度的分布特點，即表面溫度明顯高于工件內部的溫度，這是因為冷卻液迅速將磨削產生的熱量帶走的緣故.

圖5 磨削深度對磨削溫度影響

2.2 磨削加工溫度對表面質量影響

磨削加工的表面溫度直接影響加工表面的質量，進而影響零件的使用性能.從圖3～5可以看到在不同的加工條件下，加工表面的溫度情況(磨削深度接近0時的磨削溫度).在實驗所采用的加工參數條件下，最高溫度達到了700℃以上，最低溫度為90℃左右.

圖6分別為加工表面形貌和化學元素能譜分析結果，實驗結果是在主軸轉速為8000 r/min、進給速度為500 mm/min和磨削深度為0.05 mm條件下得到(此時加工表面溫度為720℃，超過了2024鋁合金的熔融溫度).從圖6中可以看出，在加工表面上鋁基體熔化后重新結晶，并且加工表面層O2的含量較高，說明加工過程中產生的高溫使表面產生氧化.在本文中的其他實驗下工件已加工表面上未發現鋁基體熔化后重新結晶情況，也沒有嚴重的氧化現象.

圖6 鋁基體重鑄

3 結論

使用標準熱電偶測量距離加工表面不同位置處的磨削加工溫度，研究了加工參數對磨削溫度的影響，并分析了加工表面溫度對表面質量的影響，得出以下結論.

1)磨削溫度隨著主軸轉速、磨削深度、進給速度的增大而增大.在實驗采用的加工參數條件下，加工表面最高溫度達到了700℃以上，最低溫度為90℃左右;

2)應選擇合理的工藝參數以控制加工表面的溫度，避免加工表面發生鋁基體熔化、重鑄和氧化現象.

3)由于冷卻液的作用，加工表面溫度明顯高于磨削區域工件內部的溫度.

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