SiCp/Al复合材料铣磨力试验研究*

2022-06-29侯张敏董志国朱徐辉刘沛林

组合机床与自动化加工技术 2022年6期

侯张敏，董志国，朱徐辉，刘沛林

(太原理工大学a.机械与运载工程学院；b.精密加工山西省重点试验室，太原 030024)

0 引言

颗粒增强型铝基碳化硅复合材料(SiCp/Al)由于其优越的综合性能，广泛应用于航空航天、精密光学仪器仪表等行业[1-2]。SiCp/Al复合材料由硬质SiC增强颗粒和较软的Al金属基体结合而成，在加工过程中，SiC增强颗粒易破碎、脱落，从而易形成较大的表面缺陷，且SiC增强颗粒还会导致严重的刀具磨损。近年来，用磨具磨削的方法来实现金属基复合材料的高效精密加工正在大量研究。研究SiCp/Al复合材料的磨削力和磨削特性，对深入了解SiCp/Al复合材料的去除机理和使用性能，选择合理的加工工艺参数，有效提高零件的加工质量有重要意义。

都金光、李建广等[3-4]通过正交试验，研究了不同的铣磨工具和加工参数对铣磨力的影响规律，发现法向铣磨力和切向铣磨力均随着铣磨速度的增加而减小，随着进给速度和铣磨深度的增加而增大；进给速度和铣磨深度对法向铣磨力是高度显著的影响因素，铣磨速度、进给速度和铣磨深度对切向铣磨力均是高度显著影响因素。ZHOU等[5]研究了SiCp/Al复合材料的低温磨削加工特性，在SiCp/Al的磨削过程中加入液氮进行低温冷却，对低温冷却与常规湿磨的效果进行了比较。试验结果表明，低温冷却能有效增强Al基体对SiC颗粒的支撑作用，提高表面质量。SHI等[6]用MATLAB对采集的磨削力信号进行了时域、频域分析和信号小波分析，发现在砂轮速度一定的情况下，进给速度对磨削力、磨削力比和磨削力标准方差的影响远大于磨削深度。且随着工件速度和磨削深度的增加，磨削力增大，磨削力比减小，不同材料的磨削力标准方差变化复杂。

本文用大直径金刚石碗形砂轮对30%的SiCp/Al复合材料进行大切深缓进给铣磨试验，研究SiCp/Al复合材料的铣磨力解析模型在该试验条件下的有效性。在该模型中，除切屑形成力和摩擦力分量之外，还考虑增强相SiC颗粒的断裂破碎力。选取切削速度vs、进给速度vw和径向磨削深度ap三个参数作为变量，进行单因素试验，并将理论计算结果与试验测量结果进行比较分析。

1 SiCp/Al复合材料铣磨力模型

本文采用的磨削方法为铣磨，图1为铣磨加工的加工过程，即用砂轮代替铣刀，其材料去除过程与磨削相同，均通过磨粒的微切削来实现。铣磨[7]加工既具备磨削加工多刃切削的优势，又具备铣削加工多轴运动的特点，成为了SiCp/Al复合材料精密加工的理想选择。

图1 铣磨加工示意图

在常规材料的磨削加工过程中，磨粒产生的磨削力可分为两部分[8]：切屑形成力和摩擦力。SiCp/Al是两相复合材料，材料中含有金属基体Al和增强颗粒SiC颗粒，在加工过程中，切削机理不同于传统材料。金属基体Al、增强颗粒SiC以及基体和增强颗粒之间的相互作用都对复合材料的磨削力有影响。在SiCp/Al复合材料的磨削过程中，磨粒与增强颗粒SiC之间的相互作用会导致许多增强颗粒SiC剥离断裂，形成断裂破碎力。

决定SiCp/Al复合材料的磨削力的主要因素[9]为切屑形成力、摩檫力和SiC颗粒破碎力，在法向和切向上总磨削力可由式(1)表示：

(1)

式中，Fnc、Fnr和Fnf分别是法向切屑形成力、摩擦力和SiC颗粒破碎力分量；Ftc、Ftr和Ftf是切向切屑形成力、摩擦力和SiC颗粒破碎力分量。

1.1 切屑形成力

在砂轮与工件的整个接触区，产生的法向切屑形成力Fnc为[10]：

(2)

式中，vw和vs分别为进给速度和切削速度；ap为径向磨削深度；b为轴向磨削深度；K1为总切削变形系数，可通过试验来确定。

切向切屑形成力Ftc与法向切屑形成力Fnc有以下比例关系：

(3)

式中，θ为磨粒顶圆锥半角。

则

(4)

式中，K2为总切削变形系数，可通过试验来确定。

1.2 摩擦力

根据DU等[2]的研究结果，法向摩擦力和切向摩擦力为：

(5)

式中，K3、K4、K5均为系数，同样通过试验来确定。

1.3 SiC颗粒破碎力

SiC颗粒的破碎是由于受到外力的作用发生微裂纹，微裂纹进一步扩散，最后由于裂纹的聚集使得SiC颗粒破碎。根据DU等[2]的研究，由SiC颗粒产生的断裂破碎力为：

(6)

(7)

式中，v、Y、σ、a、w为SiC颗粒的泊松比、弹性模量、断裂应力、初始界面裂纹的长度和宽度；nf为单位体积(1 mm3)内发生断裂破碎的颗粒数；ρg为砂轮磨粒的顶尖半径；K6、K7为系数，可以通过试验确定。

1.4 SiCp/Al铣磨力模型

将得到的式(2)、式(4)、式(5)、式(6)以及式(7)代入式(1)中，可得到SiCp/Al的总铣磨力理论模型为：

(8)

(9)

2 铣磨试验及模型系数的确定

2.1 试验装置

试验装置如图2所示，试验所用设备为HAAS VF-2三轴立式加工中心。选用的磨削工具为金刚石碗形砂轮，其主要参数如表1所示。

图2 加工试验装置

表1 磨削工具参数表

试验材料选用SiCp/6063Al复合材料，SiCp平均直径为10 μm，SiC体积分数为30%，工件尺寸为15 mm×10 mm×7 mm。试验中使用Kistler9119AA2三向测力仪采集加工过程中的磨削力，采样频率为20 000 Hz。

图3为磨削时的磨削力示意图，Fn为法向铣磨力，Ft为切向铣磨力，Fx为测力仪测得的X向铣磨力，Fy为测力仪测得的Y向铣磨力。通过式(10)可将X和Y方向的铣磨力换算成法向铣磨力Fn和切向铣磨力Ft。

图3 磨削力示意图

(10)

式中，ap为径向磨削深度；ds为砂轮直径。

2.2 试验系数的确定

在铣磨力预测模型中，K1～K7为待求试验参数，需要进行3组切削试验进行参数确定，试验切削参数如表2所示。

表2 系数确定用试验参数

将上述试验结果代入式(8)、式(9)，可求得各待求试验参数值，如表3所示。将各试验参数值代入式(8)、式(9)中，即可得到该试验条件下SiCp/Al复合材料的铣磨力预测模型。

表3 各试验系数参数值

3 铣磨力与铣磨特性

如图4所示为vw=0.03 m/min，vs=282.6 m/min，ap=2 mm，b=0.3 mm时，所测得的原始磨削力信号图。

(a) 原始X向磨削力信号Fx (b) 原始Y向磨削力信号Fy

在采到的磨削力信号中，存在大量噪点数据，需对磨削力信号进行滤波处理，处理后的磨削力信号如图5所示。

(a) 滤波后的X向磨削力信号Fx (b) 滤波后的Y向磨削力信号Fy

从图中可以观察到：磨削力信号呈近似正弦曲线变化，周期为0.067 s，与砂轮旋转一周的时间相同，这种变化可能是由于砂轮的径向跳动造成的。砂轮的径向跳动是指由于砂轮与主轴部件的制造误差、装夹误差而造成的砂轮轴线和主轴理想回转轴线之间出现漂移和偏心的现象。砂轮的径向跳动会使磨削时的瞬态切削厚度呈现先增大后减小的变化趋势[11]，从而导致磨削力信号呈近似正弦曲线变化。

用大直径金刚石碗形砂轮对30%的SiCp/Al复合材料进行大切深缓进给铣磨试验，研究SiCp/Al复合材料的铣磨力解析模型在该试验条件下的有效性。选取切削速度vs、进给速度vw和径向磨削深度ap三个参数作为变量，进行单因素试验。表4为单因素试验的详细参数，其中径向磨削深度b固定为0.3 mm。

表4 试验参数

图6为vw=0.03 m/min，ap=2 mm，b=0.3 mm时，通过模型计算和铣磨试验实测的法向铣磨力和切向铣磨力随切削速度vs的变化对比图。从图中可以看出：当切削速度vs从188.4 m/min增加到471 m/min时，试验实测的法向铣磨力Fn从19.2 N降低至8.1 N，试验实测的切向铣磨力Ft从9.1 N降低至3.9 N。理论预测结果和试验结果均表明，法向铣磨力Fn和切向铣磨力Ft均随切削速度vs的增加而减小。

图6 法向力、切向力随切削速度变化关系图7 法向力、切向力随进给速度变化关系

图7为vs=282.6 m/min，ap=2 mm，b=0.3 mm时，通过模型计算和铣磨试验实测的法向铣磨力和切向铣磨力随进给速度vw的变化对比图。从图中可以看出：当进给速度vw从0.02 m/min增加到0.035 m/min时，试验实测的法向铣磨力Fn从10.0 N增加到16.0 N，试验实测的切向铣磨力Ft从3.7 N增加到7.5 N。理论预测结果和试验结果均表明，法向铣磨力Fn和切向铣磨力Ft均随进给速度vw的增加而增大。

图8为vw=0.03 m/min，vs=282.6 m/min，b=0.3 mm时，通过模型计算和铣磨试验实测的法向铣磨力和切向铣磨力随径向磨削深度ap的变化对比图。从图中可以看出：当径向磨削深度ap从1 mm增加到2.5 mm时，试验实测的法向铣磨力Fn从5.9 N增加到16.3 N，试验实测的切向铣磨力Ft从2.2 N增加到9.5 N。理论预测结果和试验结果均表明，法向铣磨力Fn和切向铣磨力Ft均随径向磨削深度ap的增加而增大。