基于縱扭復(fù)合超聲振動(dòng)加工碳化硅陶瓷的磨削力研究

摘 要 針對(duì)傳統(tǒng)磨削方式對(duì)碳化硅陶瓷等硬脆材料在加工后出現(xiàn)表面損傷大、加工效率低等問(wèn)題，而超聲輔助加工技術(shù)可有效降低磨削力、延長(zhǎng)砂輪使用壽命，而且加工表面質(zhì)量好、加工效率高等優(yōu)勢(shì)。本文將超聲振動(dòng)輔助應(yīng)用于磨削加工研究，采用普通磨削和縱扭復(fù)合超聲磨削方式對(duì)碳化硅陶瓷進(jìn)行了磨削工藝試驗(yàn)，結(jié)果顯示：相比與普通磨削加工， 縱扭復(fù)合超聲磨削能夠有效降低磨削力，同時(shí)試驗(yàn)還得出最優(yōu)磨削加工參數(shù)組合。

關(guān)鍵詞 碳化硅陶瓷;磨削參數(shù);縱扭復(fù)合超聲

引言

隨著航空工業(yè)、醫(yī)療器械、軍工等領(lǐng)域的高速發(fā)展，使得高性能光學(xué)材料、新型復(fù)合材料等硬脆材料需求日益增加[1]。其中碳化硅陶瓷具有力學(xué)性能優(yōu)良、抗氧化性強(qiáng)、耐磨損性好和耐化學(xué)腐蝕等優(yōu)點(diǎn)受到越來(lái)越多的重視[2]，但由于這類材料硬度大、脆性強(qiáng)，機(jī)械性能較差。普通磨削加工后工件易出現(xiàn)表面及亞表面損傷等多種損傷，最終影響工件的使用性能。超聲輔助磨削是在普通磨削加工中，施加超聲振動(dòng)的一種特種加工方法，具有材料去除率高、磨削力小、加工表面質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，特別是在硬脆材料精密加工中具有顯著優(yōu)勢(shì)[4-5]。但目前研究并沒有深入討論不同磨削參數(shù)對(duì)縱扭復(fù)合超聲磨削力的影響，使縱扭復(fù)合超聲磨削工藝參數(shù)的選取缺乏理論指導(dǎo)。

本文利用VMC850E機(jī)床安裝的試驗(yàn)裝置進(jìn)行碳化硅陶瓷普通磨削和縱扭復(fù)合超聲磨削碳化硅試驗(yàn)，研究了不同磨削參數(shù)對(duì)磨削力的影響規(guī)律，對(duì)于優(yōu)化磨削參數(shù)，提高加工質(zhì)量具有重要指導(dǎo)意義。

1縱扭復(fù)合超聲磨削試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)條件

將本次試驗(yàn)平臺(tái)搭建在VMC850E中捷立式加工機(jī)床上，試驗(yàn)系統(tǒng)通過(guò)卡箍固定在機(jī)床主軸上，采用凹型塊將工件用夾具夾住，同時(shí)夾具通過(guò)螺栓與測(cè)力儀相連。超聲輔助磨削時(shí)，超聲波發(fā)生器發(fā)出的高頻電信號(hào)，經(jīng)換能器轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)，然后經(jīng)縱扭變幅桿放大和模式轉(zhuǎn)換下，在輸出端砂輪上實(shí)現(xiàn)縱扭復(fù)合振動(dòng)。關(guān)閉超聲波發(fā)生器，即可進(jìn)行普通磨削。本次試驗(yàn)選用碳化硅陶瓷作為加工對(duì)象，縱扭復(fù)合超聲磨削試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖1所示。

1.2 試驗(yàn)方案

縱扭復(fù)合超聲磨削試驗(yàn)方案如表1所示。試驗(yàn)使用Kister9257b型測(cè)力儀進(jìn)行實(shí)測(cè)，并通過(guò)Labview軟件記錄加工工件磨削力的變化規(guī)律。

2試驗(yàn)結(jié)果討論

縱扭復(fù)合超聲磨削及普通磨削時(shí)，磨削力隨主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度及磨削深度變化的規(guī)律，如圖 2所示。

由圖2可以觀察可知，在相同磨削參數(shù)情況下，相比普通磨削加工，縱扭復(fù)合超聲磨削能夠力明顯減低磨削力。圖2a可知，在普通磨削和縱扭復(fù)合超聲磨削兩種加工方式下，磨削力都隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加而呈下降趨勢(shì)。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速?gòu)?000r/min增大到2000r/min 時(shí)，法向力與切向力下降緩慢。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速?gòu)?000r/min增至3000r/min時(shí)，普通磨削與縱扭復(fù)合超聲的法向磨削力和切向磨削力降幅較大，這是因?yàn)殡S著主軸速度的增大，單顆磨粒切削面積變小，從而導(dǎo)致磨削力變小。圖2b可知，無(wú)論普通磨削還是縱扭復(fù)合超聲磨削，當(dāng)進(jìn)給速度增大時(shí)，磨削力均呈增大趨勢(shì)。進(jìn)給速度100r/min增至600r/min時(shí)，普通磨削條件下的法向磨削力和切向力分別增加了62.3%和35.4%，縱扭復(fù)合超聲磨削條件下的法向磨削力和切向力分別增加了35.7%和15.8%。這因?yàn)檫M(jìn)給速度的增大，導(dǎo)致工件接觸磨粒數(shù)目增加，從而導(dǎo)致磨削力增加。圖2c可知，當(dāng)磨削深度1?m增大到10?m，普通磨削條件下的法向磨削力和切向磨削力分別增加了57.9%和43.5%，在縱扭復(fù)合超聲磨削條件下的法向磨削力和切向磨削力分別增加了29.9%和44%。這是因?yàn)殡S著磨削深度的增加，單顆磨粒接觸工件面積增加，從而導(dǎo)致磨削力變大。

從圖2可知，磨削力的最優(yōu)組合各不相同，為了進(jìn)一步確定普通磨削和縱扭復(fù)合超聲磨削條件下最優(yōu)磨削參數(shù)組合，將各磨削力進(jìn)行合并即通過(guò)公式計(jì)算得出：在普通磨削與縱扭復(fù)合超聲磨削條件下，最優(yōu)磨削加工參數(shù)為：主軸轉(zhuǎn)速3000r/min、進(jìn)給速度200mm/min，磨削深度7?m時(shí)，此時(shí)磨削合力最小[3]。

3結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)比碳化硅陶瓷普通磨削與縱扭復(fù)合超聲磨削碳化硅磨削工藝參數(shù)試驗(yàn)，分析主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、進(jìn)給速度對(duì)磨削力的影響規(guī)律，得出結(jié)論：與普通磨削相比，縱扭復(fù)合超聲磨削可有效降低磨削力。保證加工質(zhì)量和效率的前提下，縱扭復(fù)合超聲磨削超聲振動(dòng)輔碳化硅陶瓷最優(yōu)磨削加工參數(shù)為：主軸轉(zhuǎn)速3000r/min，進(jìn)給速度200mm/min，磨削深度7?m 。

參考文獻(xiàn)

[1] 朱劍英.面向 21 世紀(jì)的生產(chǎn)工程--第 49 屆 CIRP 年會(huì)綜述[J].中國(guó)機(jī)械工程，1999，10（11）：1299-106

[2] 馮平法，王健健，張建富，等.硬脆材料旋轉(zhuǎn)超聲加工技術(shù)的研究現(xiàn)狀及展望[J].機(jī)械 工程學(xué)報(bào)，2017，53（19）：3-21.

[4] SPUR G，HOLL S E. Ultrasonic assisted grinding of ceramics? [J].? Journal of? Materials? Processing Technology，1996，62（4）：287-293.

[5] 張建華，田富強(qiáng)，張明路，等.? 微磨削與超聲振動(dòng)復(fù)合加工技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望[J]. 振動(dòng)與沖擊，2016，35（8）：97-109.

作者簡(jiǎn)介

王華偉（1989-），男;現(xiàn)就讀學(xué)校：河南理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院研究生在讀，研究方向：精密超精密加工技術(shù)與裝備。