SiCp/Al超聲輔助磨削工藝參數對加工表面質量影響研究*

梁桂強, 周曉勤, 趙菲菲

(1． 吉林大學 機械科學與工程學院， 長春 130022； 2． 昆明理工大學 現代農業工程學院， 昆明 650500)

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SiCp/Al超聲輔助磨削工藝參數對加工表面質量影響研究*

梁桂強1, 周曉勤1, 趙菲菲2

(1． 吉林大學 機械科學與工程學院， 長春 130022； 2． 昆明理工大學 現代農業工程學院， 昆明 650500)

摘要：為了研究磨削工藝參數對SiCp/Al復合材料加工表面質量的影響，采用超聲輔助磨削的方法加工SiCp/Al工件。考慮主軸轉速、進給速度和磨削深度的常用取值范圍，設計了16組實驗，超聲輔助磨削SiCp/Al工件后，測量了工件的表面粗糙度、表面破碎率、輪廓偏斜度和輪廓陡峭度，分析了3個工藝參數對4個表面質量評價指標的影響，得到了4組加工工藝參數的最優組合。結果表明，主軸轉速對4個參數的影響程度都最大，4組工藝參數的最優組合相差較大。在所選的工藝參數范圍內，使工件表面粗糙度對較低的最優組合為A4B1C1，即轉速為7 000 r/min，進給量為10 mm/min，磨削深度為10 μm的磨削工件表面。

關鍵詞：加工表面質量;超聲輔助磨削;工藝參數;SiCp/Al

0引言

SiCp/Al復合材料具有比強度高、耐高溫、性能穩定等優點，因此在航空航天、光學精密儀器等領域得到了廣泛應用[1-3]。但是SiCp/Al復合材料中含有難加工的硬脆顆粒，容易導致SiCp/Al工件的加工表面質量較差[4-5]。超聲輔助磨削是加工SiCp/Al復合材料的常用方法，影響工件加工表面質量的主要磨削參數是主軸轉速、進給速度和磨削深度[6]。研究各磨削參數對SiCp/Al復合材料的影響程度、進而確定最優的磨削參數，對于提高SiCp/Al復合材料的加工表面質量具有重要意義。因此，本文采用超聲輔助磨削的方法加工SiCp/Al工件，研究了主軸轉速n、進給速度Vf和磨削深度ap對工件加工表面質量(評價指標為表面粗糙度Sq、表面破碎率Sdr、輪廓偏斜度Ssk、輪廓陡峭度Sku)的影響。

1實驗設備

本文實驗的工件為SiCp/Al復合材料，工件的尺寸為20 mm×15 mm×5 mm。實驗在圖1(a)所示的超聲機床上開展，該機床的進給分辨率為1 μm，最大超聲加工轉速為8 000 r/min，振幅為6～7 μm，頻率為22 500 Hz。實驗刀具選用電鍍金剛石磨輪，直徑為5 mm，刀桿的諧振長度為20 mm，刀具的金剛石粒度為126，金剛石的濃度為100，磨輪如圖1(b)所示。

圖1　實驗機床及刀具

針對工件加工表面質量的4個評價指標，使用Talysurf CCI Lite白光干涉表面輪廓儀測量工件的表面粗糙度，使用FEI Quanta200 FEG掃描電子顯微鏡測量工件的表面破碎率、輪廓偏斜度和輪廓陡峭度等微觀缺陷。

2結果與討論

2.1實驗方案及結果

本文以4個加工表面質量參數為評價指標，研究3個磨削參數對工件加工表面質量的影響。為了減少實驗次數，同時考慮各磨削參數的常用取值，設計了表1所示的因素水平表。

表1　因素水平表

根據表1的因素水平表，設計了16組實驗，實驗方案如表2所示。采用表2的參數對工件進行超聲輔助磨削后，測量加工表面質量的4個評價參數，測量結果同樣列于表2。

通過對測量結果進行分析，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對加工表面質量的影響程度。通過對測量結果進行極差分析，可以得到各因素的極差大小，極差值的大小反映了各因素對加工表面質量的影響程度。極差越大，說明該因素對加工表面質量的影響越大；極差越小，說明該因素對加工表面質量的影響越小。

表2　實驗方案及結果

2.2表面粗糙度Sq分析

表面粗糙度的分析結果如表3所示，主軸轉速的極差值大于另外2個因素，說明主軸轉速是影響表面粗糙度的最重要因素，進給速度次之，磨削深度的影響最小。在所選的工藝參數范圍內，使工件表面粗糙度最低的組合為：主軸轉速7 000 r/min，進給速度10 mm/min，磨削深度10 μm，采用該組參數加工的表面形貌如圖2所示。另外，由均值可知，主軸轉速越高，工件的表面粗糙度越低。

表3　表面粗糙度結果分析

圖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

表面破碎率的分析結果如表4所示，主軸轉速的極差值大于另外2個因素，說明主軸轉速是影響表面破碎率的最重要因素，進給速度次之，磨削深度的影響最小。在所選的工藝參數范圍內，使工件表面破碎率最低的組合為：主軸轉速7 000 r/min，進給速度10 mm/min，磨削深度30 μm，采用該組參數加工的表面破碎率形貌如圖3所示。由均值可知，主軸轉速越高，工件表面的破碎率越低。

表4　表面破碎率結果分析

圖3最低表面破碎率形貌

Fig 3 Best morphology of surface breaking rate

2.4輪廓偏斜度Ssk分析

輪廓偏斜度的分析結果如表5所示，主軸轉速的極差值大于另外2個因素，說明主軸轉速是影響輪廓偏斜度的最重要因素，磨削深度次之，進給速度的影響最小。在所選的工藝參數范圍內，使工件表面輪廓偏斜度最低的組合為：主軸轉速1 000 r/min，進給速度70 mm/min，磨削深度50 μm，采用該組參數加工的輪廓偏斜度表面形貌如圖4所示。由均值可知，主軸轉速越低，輪廓偏斜度越低。

表5　輪廓偏斜度結果分析

圖4最低輪廓偏斜度表面形貌

Fig 4 Best morphology of contour deviation

2.5輪廓陡峭度Sku分析

輪廓陡峭度的分析結果如表6所示，主軸轉速的極差值大于另外2個因素，說明主軸轉速是影響陡峭度的最重要因素，磨削深度次之，進給速度的影響最小。在所選的工藝參數范圍內，使工件表面輪廓陡峭度最低的組合為：主軸轉速1 000 r/min，進給速度70 mm/min，磨削深度50 μm，采用該組參數加工的輪廓陡峭度表面形貌如圖5所示。由均值可知，主軸轉速越低，輪廓陡峭度越低。

表6　加工輪廓陡峭度結果分析

圖5最低輪廓陡峭度表面形貌

Fig 5 Best morphology of contour sharpness

2.6關鍵參數分析

根據以上分析可知，主軸轉速對4個參數的影響程度都最大，進給速度對表面粗糙度和破碎率的影響程度大于磨削深度，而磨削深度對偏斜度和陡峭度的影響程度大于進給速度。由于4組最優的參數組合數值相差較大，下一步工作將研究超聲輔助磨削工藝的最優參數組合，以期得到理想的加工表面質量。

3結論

(1)考慮主軸轉速、進給速度、磨削深度的常用取值，設計了16組實驗，采用超聲輔助磨削的方法加工SiCp/Al工件，測量了工件的表面粗糙度、表面破碎率、輪廓偏斜度和輪廓陡峭度。

(2)分析了3個磨削工藝參數對4個工件表面質量評價指標的影響，得到了4組加工工藝參數的最優組合。

(3)4組最優的參數組合數值相差較大，為了得到理想的加工表面質量，后續工作將研究3個磨削工藝參數的最優組合方式。

參考文獻：

[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.

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[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

文獻標識碼：A

中圖分類號：TG663

作者簡介：梁桂強(1976-),男,長春人,博士研究生,講師,從事航空復合材料超聲輔助磨削研究。

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51465009)

文章編號：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 通訊作者：周曉勤，E-mail: xqzhou@jlu.edu.cn