Cu-3鎳銅合金砂帶磨削試驗研究

路　勇　黃　云　尹　咸　陳育輝

1.重慶大學,重慶,4000302.重慶市材料表面精密加工及成套裝備工程技術研究中心,重慶,400021

Cu-3鎳銅合金砂帶磨削試驗研究

路勇1,2黃云1,2尹咸1,2陳育輝1,2

1.重慶大學,重慶,4000302.重慶市材料表面精密加工及成套裝備工程技術研究中心,重慶,400021

分析了Cu-3鎳銅合金砂帶磨削加工過程中,砂帶粒度和磨削用量的不同對磨削加工效率、工件表面質量和砂帶磨損的影響。采用氧化鋁磨料砂帶在不同的砂帶線速度或磨削壓力下對鎳銅合金進行了工藝試驗,對材料去除量、工件表面粗糙度和砂帶磨損量進行了測量。研究表明:增加砂帶線速度和磨削壓力可在一定程度上提高材料去除率和磨削比;隨著磨削壓力的增大,工件表面粗糙度呈增大趨勢；隨著砂帶粒度的增大,工件表面粗糙度呈減小趨勢；砂帶線速度為25 m/s，磨削壓力為43 N,砂帶粒度為P240時，鎳銅合金綜合磨削效果最好。

砂帶磨削;表面粗糙度;砂帶磨損;Cu-3鎳銅合金

0　引言

船用螺旋槳是決定一艘船性能的一個重要因素,它的制造精度直接影響整個推進系統。螺旋槳材料多為有較好的室溫力學性能和高溫強度、耐蝕性好、易加工、無磁性的鎳銅合金。

目前,船用螺旋槳葉片大多是先進行銑削加工,然后再用大量的人工修磨來完成的，這樣就導致其加工費時、費力，加工精度難以保證[1-2]。砂帶磨削是一種優質、高效、低能耗的新型工藝技術，具有磨削、研磨和拋光等多重作用，加工表面發熱少,磨削后表面粗糙度小,表面完整性好[3-4]，即使干磨也不易燒傷工件，具有“冷態加工”的美譽[3-5]。本試驗是利用砂帶磨床對鎳銅合金進行砂帶磨削的基礎性工作，它涉及磨料與材料的交互作用機理、材料表面質量、砂帶磨損、砂帶磨削工藝與參數選擇及其優化等內容。

本文采用3種不同粒度的砂帶分別對Cu-3鎳銅合金進行了磨削試驗，分析了砂帶粒度及磨削用量的不同對磨削加工效率、砂帶磨損及表面粗糙度的影響,研究了材料去除及砂帶磨損機理，力求得出高效、高質磨削加工工藝理論和試驗依據。

1　試驗條件和方法

(1)試驗材料。試驗材料選用Cu-3鎳銅合金，材料的尺寸為154 mm×35 mm×17.5 mm，成分如表1所示。

表1　化學成分質量分數　%

(2)試驗裝置。基于選用的砂帶和材料，本試驗在重慶三磨海達磨床有限公司開發的砂帶磨床上進行試驗。

(3)試驗條件。試驗在不同粒度的砂帶和工件組合下進行，分析磨削參數對材料去除率、磨削比和表面粗糙度的影響,表2所示為試驗條件。

表2　試驗條件

試驗時采用精度為0.1 g的電子秤測量工件質量,用TR200粗糙度儀測量工件表面粗糙度,用秒表記錄磨削時間,同時配備相應的變頻器對主動輪進行矢量變頻調速以實現無級調速。為提高試驗結果的可靠性,重復試驗5次,觀察平均效應,從而減少隨機因素的影響。

2　試驗結果及分析

2.1材料去除率的影響因素研究

材料去除率是砂帶單位時間去除被加工材料的體積(質量)[6]。實際測量中采用的標準材料去除率計算公式為

式中,Δm為磨削前后試件的質量差,g;Δt為磨削時間,s;B為砂帶寬度,mm。

由上式可以看出,在試驗過程中,砂帶寬度一定時,可以通過減小磨削時間，即通過增加砂帶線速度來增加工件材料去除率。

砂帶磨削過程涉及諸多因素，如磨床特性、工件幾何形狀、材料性能、砂帶種類、粒度及磨削用量等，這些因素均對磨削過程有很大的影響,從而產生不同的磨削結果,其中,材料去除率是表現這些因素影響的重要結果之一[7]。本文在磨床特性一定的情況下,采用VSM公司的KK718X氧化鋁磨料的砂帶,分別用P120、P240兩種粒度的砂帶對Cu-3鎳銅合金進行了磨削試驗,主要研究磨削用量及磨料粒度等對材料去除率的影響。

2.1.1砂帶線速度的影響

砂帶線速度對材料去除率的影響如圖1所示。材料去除率Zw在一定程度上隨砂帶線速度vs增加而增加，但當vs增加到一定程度時,Zw的增加緩慢甚至不明顯。材料去除率Zw在前期增加的主要原因是,砂帶線速度vs的增加使單位時間內參與切削的磨粒增加,并且高速條件下的鈍化磨粒也能產生磨屑,所以材料切除率增加。材料切除率Zw在后期增加速度變緩的主要原因是，砂帶線速度vs的增加使砂帶上的磨粒受工件表面的反沖擊頻率增大,彈性砂帶退讓也增大，引起了砂帶磨粒切刃實際切入深度減小。磨料粒度的不同時，同種磨料砂帶磨削產生的效果也不同。砂帶線速度在20～30 m/s范圍內時,P120砂帶材料去除率幾乎是P240砂帶材料去除率的2倍。

圖1　砂帶線速度vs對材料去除率Zw的影響(壓力Fn=31 N)

2.1.2磨削壓力的影響

磨削壓力對材料去除率的影響如圖2所示。對Cu-3鎳銅合金材料進行變壓力磨削時，材料去除率隨法向磨削壓力的增大近似線性增長。這是因為隨著磨削壓力的增大，單位時間內參與磨削的單顆磨粒平均載荷增大，導致切削深度增加，材料去除量增大。但磨削壓力并不是越大越好，壓力太大，機床振動加劇,磨粒破碎加快、脫落嚴重，甚至整個砂帶斷裂，從而影響砂帶的使用壽命，使得砂帶磨削能力反而下降[3],材料去除率減小。因此，為了得到較高的材料切除率，就要使磨粒較深地壓入工件，同時避免切削深度過大導致氧化鋁磨粒的快速磨損。P120的氧化鋁磨料砂帶的材料去除率增長速度較快，是P240氧化鋁磨料砂帶材料去除率增長速度的2倍。磨削壓力在30～50N范圍內，P120的砂帶材料去除率幾乎是P240砂帶的2倍。

圖2　磨削壓力對材料去除率Zw的影響(vs=20 m/s)

2.2磨削比的影響因素研究

磨削比G為砂帶去除工件質量mw與砂帶磨損質量m0之比,是表征砂帶磨削過程耐磨性的重要參數，反應了砂帶磨損與材料去除量的關系，也是指導砂帶磨削工藝的一個重要依據。在實際測量中采用的磨削比計算公式為

G=mw/m0

2.2.1砂帶線速度的影響

砂帶線速度對磨削比的影響如圖3所示:磨削比在一定程度上隨砂帶線速度vs增加而增加,但是當vs增加到一定程度時,磨削比增加變得緩慢甚至不明顯。隨著砂帶線速度vs的增加,單位時間內經過磨削區的磨粒數目增加,即有效切削刃數目增加。但vs過高時,單顆磨粒切刃在磨削區的駐留時間縮短,會導致磨粒不足以切入工件表面,只產生滑擦、耕犁作用[8],從而影響材料去除質量的繼續提高，使得磨削比增加變慢。另一方面，砂帶線速度越大，砂帶散熱就越慢，在磨削過程中，會累積大量的熱。這加快了砂帶的磨損，增大了砂帶的磨損量，從而導致磨削比增加變慢。

圖3　砂帶線速度vs對磨削比的影響(壓力Fn=31 N)

2.2.2磨削壓力的影響

圖4　磨削壓力對磨削比的影響(vs=20 m/s)

磨削壓力對磨削比的影響如圖4所示。磨削壓力不同造成了磨削效果不同,通過對比分析可知，隨著磨削壓力的增加,兩種材料表現出的規律基本一致,即磨削比呈先上升后下降的趨勢。隨著磨削力的增大，單位時間內參與磨削的單顆磨粒平均載荷增大，切入工件更加深入，磨料磨削能力增強使得材料去除更多。但磨削壓力過大時，砂帶磨削能力反而下降，材料去除率減小,砂帶磨損加劇,磨削比下降。由圖5可以看出,P120砂帶比P240砂帶的磨削比大得多，磨削壓力在30～50 N范圍內,P120砂帶材料的去除率幾乎是P240砂帶的2倍,故磨削時可選擇P120砂帶進行大余量加工。

2.3表面粗糙度的影響因素研究

磨削加工一般作為機械零件的最終加工工序，其主要目的是保證零件的表面粗糙度和形狀精度。磨削表面的創成過程是磨粒與工件表面材料相互干涉的最終結果，由于磨削過程復雜，影響表面粗糙度的因素眾多，磨削過程的物理關系往往很難精確表達[9-10]。

2.3.1磨削壓力對表面粗糙度的影響

磨削壓力與表面粗糙度的關系如圖5所示。由圖5可知，表面粗糙度隨著磨削壓力的增大而增加。磨削壓力較小(30 N以下)時,增加得較快;磨削壓力較大時,增加得緩慢。這是因為表面粗糙度的大小直接與參與磨削的磨粒數Ng和磨粒的形狀有關。在較小的磨削壓力下,Ng隨著的壓力的增大而增加,Ng的增加使磨削量均勻,因此表面粗糙度降低。但是在較大的磨削壓力下,磨粒的快速磨損使得表面粗糙度增加變得緩慢。

圖5　磨削壓力對表面粗糙度的影響(vs=20 m/s)

2.3.2砂帶粒度對表面粗糙度的影響

圖6　砂帶粒度對表面粗糙度的影響(壓力Fn=31 N;vs=20 m/s)

砂帶粒度是影響表面粗糙度的最主要因素,由圖6可以看出,表面粗糙度會隨著砂帶粒度的增大而減小,P60和P120砂帶磨削時,表面粗糙度較大,P240砂帶磨削時，表面粗糙度較小,因此磨削加工時可選用P240砂帶進行高精度加工。表面粗糙度還與其他因素有關，依次是磨削壓力、砂帶線速度以及接觸輪硬度等。

3　正交試驗

影響砂帶磨削加工效率、工件表面質量和砂帶磨損的因素很多，為了有效減少試驗次數并找到影響因素的規律,在了解大致的磨削參數范圍后,采用正交實驗的方法研究Cu-3鎳銅合金材料砂帶磨削過程中材料的去除量、工件表面粗糙度、砂帶磨損量及其規律，以找出砂帶磨削加工該型材料的最優化參數。正交試驗因素如表3所示,采用L9(33)進行三因素三水平正交試驗。

表3　正交試驗因素表

通過正交試驗確定試驗因素的優水平和最優水平組合,試驗結果如表4～表6所示。表5、表6中,K1為各因素1水平所對應的試驗指標之和,k1=K1/3,則A因素1水平所對應的試驗指標之和為KA1,kA1=KA1/3。

表4　試驗因素組合

表5　材料去除率　g/min

表6　表面粗糙度　 μm

根據正交設計的特性,對A1、A2、A3來說,3組試驗的試驗條件是完全一樣的，可進行直接比較。根據kA1、kA2、kA3(kA1為A因素對應的k1的值)的大小可以判斷A1、A2、A3對試驗指標的影響。試驗指標為材料去除率時，由表5可得:kA3>kA2>kA1,因此可斷定A3為A因素的優水平。同理可并確定B3、C2分別為B、C因素對材料去除率的優水平，A2、B1、C3分別為A、B、C因素對表面粗糙度的優水平。根據各指標不同水平平均值確定各因素的優化水平組合。材料去除率優化水平組合的結果為A3B3C2,表面粗糙度的優化水平組合的結果為A2B1C3。

以上3個指標單獨分析出的優化結果為A3B3C2和A2B1C3，因此必須根據因素的影響主次綜合考慮進而確定最佳工藝條件。試驗指標為表面粗糙度時,由表6可得：RC>RB>RA,因此對于因素C,其對表面粗糙度影響大小排第一位，此時取C3;而因素C對材料去除率影響排次要第二位,為次要因素,因此由上述優化結果C可取C2或C3。但取C2時,表面粗糙度較大，按照工件加工要求，在滿足表面粗糙度Ra≤0.6 μm的精度要求下,力求得到較高材料去除率,故C因素取C3。同理可分析A因素取A3,B因素取B3。優組合為A3B3C3,即砂帶線速度為25 m/s,磨削壓力為43 N,砂帶粒度為P240時，綜合磨削效果達到最好。

4　結論

(1)增加砂帶線速度和磨削壓力可在一定程度上提高材料去除率和磨削比，但隨著砂帶線速度和磨削壓力的增加，材料去除率和磨削比增大變得緩慢，因此砂帶線速度和磨削壓力并非越大越好。

(2)隨著磨削壓力的增大，工件表面粗糙度呈增大趨勢，因此可根據表面粗糙度的要求選擇合適的磨削壓力。

(3)砂帶粒度是影響表面粗糙度的主要因素，表面粗糙度隨著砂帶粒度的增大而減小，因此可根據表面粗糙度的要求選擇合適的砂帶粒度。

(4)通過正交試驗得到了影響材料去除率的因素中各因素的主次順序為磨削壓力、砂帶粒度、砂帶線速度，影響表面粗糙度的因素中各因素的主次順序為砂帶粒度、磨削壓力、砂帶線速度，得到鎳銅合金砂帶磨削參數的優組合,即砂帶線速度為25 m/s,磨削壓力為43 N,砂帶粒度為P240。

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(編輯張洋)

Experimental Research on Abrasive Belt Grinding Cu-nickel-aluminum Bronze

Lu Yong1,2Huang Yun1,2Yin Xian1,2Chen Yuhui1,2

1.Chongqing University,Chongqing,400030 2.Chongqing Engineering Research Center for Material Surface Precision Machining and Whole Set Equipments,Chongqing,400021

The influences of abrasive belt granularity and different grinding parameters on grinding efficiency,workpiece surface quality and different effects of abrasive wear throughout the process of grinding Cu-nickel-aluminum bronze were analyzed herein.The processing tests were carried out by alumina oxide abrasive belts for grinding Cu-nickel-aluminum bronze in different abrasive belt speeds and grinding forces respectively,the amount of material removal rate,workpiece surface roughness and belt wear were measured.The results show that increasing abrasive belt speed and grinding force can increase the material removal rate and the wear ratio to some extents.With the grinding force increasing,the workpiece surface roughness increases.With the abrasive belt granularity increasing,the workpiece surface roughness decreases.When the abrasive belt speed is 25 m/s, the grinding force is 43 N and the abrasive belt granularity is 240,Cu-nickel-aluminum bronze grinding effects reach the best.

abrasive belt grinding;surface roughness;abrasive belt wear Cu-3;Cu-nickel-aluminum bronze

2013-09-16

國家自然科學基金資助項目(51275545)

TG580DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.02.006

路勇,男,1993年生。重慶大學機械工程學院碩士研究生。主要研究方向為機電一體化及先進制造技術。黃云,男,1962年生。重慶大學機械工程學院教授、博士研究生導師,重慶市材料表面精密加工及成套裝備工程技術研究中心主任。尹咸,男,1989年生。重慶大學機械工程學院碩士研究生。陳育輝,男,1990年生。重慶大學機械工程學院碩士研究生。