SiCp/Al窄槽的銑磨實驗研究(Ⅰ)——磨削力

李建廣，姚英學，趙 航，李大博

(哈爾濱工業大學機電工程學院，150001 哈爾濱)

SiCp/Al窄槽的銑磨實驗研究(Ⅰ)
——磨削力

李建廣，姚英學，趙 航，李大博

(哈爾濱工業大學機電工程學院，150001 哈爾濱)

針對SiCp/Al復雜曲面加工中大去除量、高精度的需求，以窄槽的銑磨加工工藝為例，實驗研究SiCp/Al窄槽銑磨加工中加工參數、銑磨工具對銑磨力的影響規律.實驗結果表明:加工參數和銑磨工具均對銑磨力有影響.在實驗參數取值范圍內，銑磨力隨砂輪線速度、進給速度的增大而增大，進給速度對銑磨力的影響最大;采用螺旋槽銑磨工具可顯著降低銑磨力，但銑磨力波動較大，并隨螺旋角的增大而減弱.在實驗條件下，可優選銑磨力波動相對較小的50°螺旋角的開槽砂輪進行窄槽的粗加工.

碳化硅顆粒增強鋁基復合材料;銑磨;切削力;加工參數;銑磨工具

碳化硅顆粒增強鋁基復合材料(SiC particle reinforced aluminum matrix composite，SiCp/Al)以其優異的物理性能和機械性能，在航空航天、光學儀器、汽車、武器等領域具有廣闊的應用前景［1－2］.由于 SiCp/Al中增強相 SiCp 的硬度高、脆性大，加工時刀具磨損嚴重［3－4］，加工表面邊沿處易于崩碎.因此，SiCp/Al加工工藝的研究受到國內外關注［5］，從不同角度研究了 SiCp/Al的加工工藝，如車削［6］、銑削［7］、磨削［8］、激光加工和電火花加工［9］.這些工藝方法各有其優缺點和使用范圍.傳統上，數控車削、銑削是高效的、高質量的復雜表面成形方法，而且技術成熟，但在高效、高精度加工SiCp/Al不同幾何形狀的表面時需要進一步研究選擇合適的工藝.SiCp/Al的車削加工研究較多，但銑削研究較少，在磨床上獲得高質量表面的磨削工藝也有了探索性的研究.

隨著SiCp/Al復合材料應用范圍的日益擴展，如發動機活塞、剎車片、高精密儀表等SiCp/Al復合材料構件上需要加工出的窄槽結構，其銑削加工困難限制了SiCp/Al的廣泛應用，而且槽加工是銑加工中條件惡劣的一種特殊情況.根據已有的實驗研究，銑磨加工可能是一種可行的方法.哈爾濱工業大學針對復雜表面加工的需求，探索在數控銑床上磨削加工(簡稱銑磨)SiCp/Al的方法，實驗研究了加工參數和銑磨工具對銑磨加工力、表面粗糙度的影響規律，并對銑磨工具和切削參數的優化選擇［10］，進行了分析.研究開槽電鍍金剛石砂輪銑磨SiCp/Al窄槽的切削機理，探討其對銑磨力的影響規律和工藝的優選.

1 實驗

1.1 實驗條件

銑磨實驗用數控銑床為DMC 75V Linear五軸高速加工中心，主軸最高轉速為28 000 r/min.考慮實際加工的穩定性，在實驗中最高轉速限制到20 000 r/min.

選用的磨削工具主要為電鍍金剛石砂輪，其主要參數見表1.

表1 實驗銑磨工具參數表

實驗材料為SiCp/2024Al復合材料，SiCp的體積分數為45%，粒徑5 μm，同文獻［10］.

為防止實驗中冷卻液損壞測力儀和機床導軌，銑磨加工在冷卻防護水槽中進行.試件固定在水槽中(水槽中的冷卻液量應淹沒過試件)，水槽再與測力儀(Kistler 9257B)連接.實驗現場如圖1所示.

圖1 實驗現場

1.2 實驗方法

本文主要研究加工參數和開槽砂輪對銑磨力的影響規律，在實驗中選用表1中不同電鍍砂輪，在不同切削參數下在數控銑床上進行磨削實驗，單因素實驗研究銑磨速度、進給速度、銑磨工具螺旋角等對銑磨力的影響.

2 銑磨力影響因素實驗分析

2.1 加工參數對銑磨力的影響

為了研究加工參數對銑磨力的影響規律，設計了單因素實驗.所用的砂輪為表1中的1號砂輪，實驗加工參數如表2所示.

2.1.1 銑磨速度對銑磨力的影響

固定進給速度vw和銑磨寬度b，在不同的銑磨速度(砂輪線速度)條件下進行銑磨實驗，并采集銑磨力.砂輪線速度vs對銑磨力的影響實如圖2所示.銑磨分力Fx沿進給方向，Fy垂直于進給方向(下同).

表2 單因素實驗參數

圖2 銑磨速度對銑磨力的影響

由圖2可知:銑磨力隨著銑磨速度的增大而增大，但當銑磨速度增大到一定值(如8.37 m/s)后，銑磨力的增大趨于平緩，且分力Fx的增幅大于分力Fy的，表明銑磨速度對進給方向的銑磨分力的影響更顯著.

2.1.2 進給速度對銑磨力的影響

固定銑磨速度vs和銑磨寬度b，在不同的進給速度條件下進行銑磨實驗.進給速度vw對銑磨力的影響如圖3所示.

圖3 進給速度對銑磨力的影響

由圖3可知:銑磨分力Fx和Fy隨進給速度vw的增大而近似呈線性增大，但分力Fx較分力Fy增幅大.隨著進給速度vw的增大，動態有效加工磨粒的數量增加，而且單個磨粒在單位時間內去除的材料體積也增大，使得銑磨力增大.

2.2 銑磨工具對銑磨力的影響

2.2.1 磨粒粒度對銑磨力的影響

砂輪磨粒粒度的大小對砂輪切削性能有很大影響.實驗時固定銑磨寬度b和進給速度vw，選用表1中的1號(磨粒粒度80#)和4號(磨粒粒度120#)銑磨工具在不同的銑磨速度vs下進行窄槽銑磨對比實驗.磨粒粒度對銑磨力的影響如圖4所示.

圖4 磨粒粒度對銑磨力的影響

由圖4可知，粒度120#銑磨工具的銑磨力較粒度80#銑磨工具的銑磨力小.與80#銑磨工具相比，120#砂輪的磨粒比較尖銳且分布更加均勻，在相同的材料去除率下單個磨粒上承受的銑磨力較小;在窄槽銑磨中，銑磨工具與工件表面長時間接觸時，120#砂輪的冷卻和排屑作用較好.但在選用銑磨工具時，銑磨工具的粒度應和進給速度、磨削深度相匹配.

2.2.2 銑磨工具形狀對銑磨力的影響

據研究，采用開槽砂輪磨削時，磨削區溫度比不開槽砂輪的低，且可降低10% ～15%的能耗［11］.固定進給速度vw和銑磨寬度b，分別選用表1中的1號和2、3號砂輪在不同的銑磨速度vs下進行窄槽銑磨對比實驗.砂輪形狀對銑磨力的影響如圖5所示(圖中曲線標識的數值為螺旋角值，未標值的是未開槽砂輪).

圖5 砂輪形狀對銑磨力的影響

由圖5可知:采用開槽砂輪的銑磨力比未開槽砂輪的銑磨力明顯要小，而且隨著銑磨速度的變化趨勢與未開槽砂輪的相反.開槽砂輪圓周表面上的溝槽有助于增強銑磨時的冷卻和排屑性能，從而增強了切削性能.

但由于開槽砂輪在磨削過程中與工件的接觸是斷續的，與銑刀的切削特點相似，在實際加工中，采用開槽砂輪的銑磨力有明顯的波動.

2.2.3 螺旋角對銑磨力的影響

開螺旋槽的砂輪具有開槽砂輪的優點，可有效地降低磨削溫度、改善排屑效果.實驗時固定進給速度vw和軸向銑磨寬度b，分別選用表1中的2號(螺旋角50°)和3號(螺旋角40°)兩種開有螺旋槽的砂輪在不同銑磨速度vs下進行窄槽銑磨對比實驗.螺旋角對銑磨力的影響如圖5所示.

由圖5可知:開有螺旋槽的砂輪的銑磨力較未開槽的砂輪隨銑磨速度的增大均有下降趨勢，且螺旋角大的砂輪的銑磨力較小，溝槽有助于增強冷卻和排屑.即在相同實驗條件下，50°螺旋槽砂輪的銑磨力小于40°螺旋槽砂輪的銑磨力.同時，在實驗中發現，小螺旋角(包括直槽砂輪的螺旋角為0°)的開槽砂輪的銑磨力比大螺旋角的開槽砂輪的銑磨力波動大，即圖5中螺旋角為50°的螺旋槽砂輪加工過程較平穩.

2.2.4 結合劑對銑磨力的影響

文獻［12］對采用不同結合劑的砂輪針對SiCp/Al復合材料的銑磨加工進行了系統的研究，在相同加工條件下，銑磨力從小到大依次為電鍍金剛石砂輪、陶瓷基金剛石砂輪、樹脂基金剛石砂輪.采用電鍍金剛石可獲得較小的銑磨力和較長的使用時間.

3 結論

1)選用電鍍金剛石砂輪可獲得較小的銑磨力，可用于低剛度表面的加工.

2)銑磨速度、進給速度對磨削力均有影響，但進給速度的影響更為顯著.

3)采用開槽砂輪可以減小銑磨力，但銑磨力波動大，可以選用銑磨力相對穩定的大螺旋角開槽砂輪.

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Experimental research on mill-grinding SiCp/Al narrow slot part I:machining force

LI Jian-guang ，YAO ying-xue，ZHAO Hang，LI Da-bo
(School of Mechatronics Engineering，Harbin Institute of Technology，150001 Harbin，China)

To meet the need of large removal allowance and high efficiency of machining SiCp/Al surface，taking narrow slot mill-grinding as a typical example，the influence of machining parameters and mill-grinding tool on SiCp/Al machining force was experimentally investigated.The results show that the mill-grinding force is increased with the increasing speed and feedrate，and the feedrate is a significant impact on the force.In machining narrow-slot，the mill-grinding force can be reduced obviously by using the grinding tool with helix flutes.However，the mill-grinding force is fluctuant，and the fluctuant amplitude is reduced by reducing helix.Under the given conditions，the recommended helix of the wheel with flutes in mill-grinding narrow-slot is 50°which can perform a relative stabile machining process.

SiCp/Al;mill-grinding;force;machining parameters;mill-grinding tool

TG506.9

A

0367－6234(2012)07－0043－04

2011－08－10.

教育部博士點基金資助項目(200802130006);哈爾濱市科技創新人才研究專項基金資助(RC2010XK006003).

李建廣(1970—)，男，教授，博士生導師;

姚英學(1962—)，男，教授，博士生導師.

李建廣，mejgli@hit.edu.cn.

(編輯 楊 波)