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【簡(jiǎn)介】
李德溥
(哈爾濱商業(yè)大學(xué)輕工學(xué)院，哈爾濱150028)
摘要:使用電鍍金剛石砂輪對(duì)顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料進(jìn)行平面、孔和槽的磨削加工實(shí)驗(yàn)研究，目的是研究顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料磨削加工的效果．在平面加工中使用掃描電子顯微鏡分析加工表面的形貌，并使用粗糙度儀測(cè)量表面粗糙度．在孔和槽的加工中使用工具顯微鏡測(cè)量孔直徑和槽的寬度．研究表明，對(duì)顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料進(jìn)行磨削加工能夠獲得良好的加工質(zhì)量，平面磨削的加工表面質(zhì)量較高，在實(shí)驗(yàn)所采用的加工條件下表面粗糙度Ra在0．285～0．82μm之間;孔和槽加工的尺寸精度較高，并且沒有出現(xiàn)崩邊現(xiàn)象．
關(guān)鍵詞:復(fù)合材料;平面磨削;孔槽磨削
中圖分類號(hào):TH162文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1672－0946(2011)02－0248－04
顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料具有優(yōu)良的力學(xué)性能，但同時(shí)也是一種典型的難加工材料，難以對(duì)其進(jìn)行后續(xù)加工是其大規(guī)模推廣應(yīng)用的主要障礙［1］．目前，切削加工是顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的主要加工方法，另外，對(duì)材料的激光加工、電火花加工等特種加工方法也進(jìn)行了大量的研究．但是加工中仍然存在以下幾個(gè)方面的問(wèn)題［2－5］．
1)切削加工中刀具磨損嚴(yán)重．PCD被認(rèn)為是惟一適合加工顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的刀具材料，但PCD刀具制造成本高，限制了它的應(yīng)用．
2)缺少加工小直徑孔和窄槽的合適刀具．PCD刀具雖然耐用，但制造小直徑復(fù)雜形狀刀具困難．另外，在孔和槽的切削加工中經(jīng)常出現(xiàn)崩邊現(xiàn)象，滿足不了加工質(zhì)量的要求．
3)電火花加工中電極磨損嚴(yán)重，并且加工表面熱損傷較大，表面上存在鋁基體的重鑄層．
4)激光加工使零件加工表面產(chǎn)生熱損傷，且只應(yīng)用于切割加工和通孔加工，應(yīng)用范圍有限．磨削在陶瓷、金屬材料加工中得到了廣泛的使用，但在顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料加工中的應(yīng)用研究較少．本文以電鍍金剛石砂輪作為加工工具，對(duì)顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的平面、孔和槽進(jìn)行磨削加工．使用掃描電子顯微鏡觀察平面磨削加工表面形貌，并使用粗糙度儀測(cè)量表面粗糙度，使用工具顯微鏡測(cè)量孔直徑和槽寬度尺寸，并對(duì)孔和槽的形貌進(jìn)行觀察．
1·實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
采用SiC顆粒增強(qiáng)2024Al作為實(shí)驗(yàn)材料，其主要性能參數(shù)如表1所示．
平面加工中采用普通的平頭圓柱砂輪．用于孔、槽加工的砂輪基體端面和圓周上分別加工四個(gè)窄槽，端面窄槽略偏離端面中心，端面窄槽與圓周面上窄槽相通．表2為實(shí)驗(yàn)使用砂輪參數(shù)．
2·平面磨削
2．1實(shí)驗(yàn)參數(shù)
表3為平面加工實(shí)驗(yàn)參數(shù)．
2．2加工結(jié)果
2．2．1表面形貌
圖1為平面磨削加工表面形貌的SEM照片．可以發(fā)現(xiàn)，顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料已加工表面具有如下特點(diǎn):
1)加工表面上有鋁基體的塑性劃痕，并且有鋁基體被熨壓現(xiàn)象．
2)加工表面有材料剖落形成的凹坑、增強(qiáng)顆粒脫落和斷裂等缺陷．
3)顆粒與基體結(jié)合的界面在已加工表面形成過(guò)程中發(fā)生破壞．由于顆粒移動(dòng)或被壓入加工表面，在顆粒周圍形成孔洞．
加工表面的形貌特點(diǎn)與材料本身特性和去除機(jī)理有關(guān)，在外載荷作用下增強(qiáng)顆粒承受更大的應(yīng)力及增強(qiáng)顆粒本身的缺陷，使得增強(qiáng)顆粒在加工過(guò)程中產(chǎn)生破碎和脫落;裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展在加工表面形成過(guò)程中起到重要作用，在增強(qiáng)顆粒富集區(qū)和顆粒的尖角處應(yīng)力集中更嚴(yán)重，在加工過(guò)程中容易產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)展，造成材料剖落形成非切出表面和界面脫黏;另外，在金剛石磨粒作用下增強(qiáng)顆粒會(huì)發(fā)生破碎、脫落、滑動(dòng)等行為．
2．2．2表面粗糙度
保持主軸轉(zhuǎn)速為6 000 r/min、進(jìn)給速度為3 00mm/min不變，測(cè)量了在不同磨削深度下已加工表面的粗糙度值，如圖2所示．可以看到，在實(shí)驗(yàn)所采用的加工參數(shù)下，表面粗糙度Ra在0．285～0．82μm之間．磨削深度在0．001～0．005 mm范圍內(nèi)時(shí)表面粗糙度的變化不大，而當(dāng)磨削深度大于0．005mm之后表面粗糙度有較大的增加．
3·孔磨削加工
3．1影響孔加工質(zhì)量因素
影響孔加工質(zhì)量的因素主要有以下幾個(gè)方面:
1)金剛石粒度
粒度小的金剛石砂輪容屑能力差，加工中極容易堵塞，造成軸向力過(guò)大，使孔的出口產(chǎn)生崩邊，或者造成加工過(guò)程中砂輪桿折斷．本文的實(shí)驗(yàn)中使用120#金剛石砂輪．
2)砂輪結(jié)構(gòu)
砂輪的結(jié)構(gòu)應(yīng)該能保證順暢地排出切屑，普通金剛石砂輪在加工孔時(shí)排出切屑的能力差，造成砂輪嚴(yán)重堵塞．使用端面與軸向開有窄槽的砂輪，有利于切屑及時(shí)排出．
3)砂輪的制造及修整精度
砂輪制造完成后，其徑向跳動(dòng)不能超過(guò)一定程度，否則在加工中產(chǎn)生較大的偏擺，造成孔的直徑遠(yuǎn)大于砂輪直徑，并且容易造成砂輪折斷．
3．2加工結(jié)果
3．2．1孔直徑尺寸
實(shí)驗(yàn)所加工孔的深度為6 mm，采用分次進(jìn)給的加工方式，每次進(jìn)給0．3 mm．用工具顯微鏡在兩個(gè)垂直方向上測(cè)量孔入口和出口的直徑，測(cè)量位置如圖3所示．孔加工條件及直徑測(cè)量值見表4(表中Dx為在圖3中的x方向測(cè)量尺寸，Dy為在圖3中的y方向測(cè)量尺寸)．從表4中的數(shù)據(jù)可以看出，孔在2個(gè)互相垂直方向上的尺寸基本一致，入口和出口尺寸也基本一致．孔直徑與砂輪直徑存在一定的偏差，這是由于砂輪直徑較小，在力的作用下產(chǎn)生一定撓度所致．
3．2．2孔形貌
孔的入口與出口形貌如圖4所示，可以清楚地看出:磨削加工孔的入口和出口形狀完好，沒有出現(xiàn)崩邊現(xiàn)象出現(xiàn)．
4·槽磨削加工
4．1影響槽加工質(zhì)量因素
影響槽加工質(zhì)量的因素主要有以下幾個(gè)方面:
1)實(shí)驗(yàn)中使用的金剛石砂輪直徑較小，在加工過(guò)程中受力會(huì)使其產(chǎn)生一個(gè)撓度，進(jìn)而影響槽的尺寸精度．
2)砂輪的制造誤差是影響加工精度的另一個(gè)因素．由于鍍層厚度不均勻，在靠近邊角處鍍層厚度大，加工時(shí)砂輪有較大的偏擺，從而影響加工的尺寸精度．
4．2加工結(jié)果
4．2．1槽的形貌
圖5為磨削加工槽的形貌，可以看出，磨削加工槽入口與出口沒有發(fā)生崩邊缺陷，槽的兩個(gè)棱邊也沒有材料崩邊現(xiàn)象．
4．2．2槽的寬度
表5為槽加工條件及入口和出口尺寸測(cè)量結(jié)果．從表5中的數(shù)據(jù)可以看出，在不同的加工條件下槽的寬度都大于砂輪直徑．在主軸轉(zhuǎn)速相同情況下，隨著進(jìn)給速度的增大，偏差增大．這主要是由于在不同的加工條件下砂輪受力大小不同造成的，加大進(jìn)給速度都使磨削力增大，而大的磨削力會(huì)使砂輪軸產(chǎn)生更大的變形，導(dǎo)致槽寬發(fā)生誤差．
5·結(jié)論
本文使用電鍍金剛石砂輪對(duì)顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料進(jìn)行平面、孔和槽的磨削加工實(shí)驗(yàn)，得出以下結(jié)論:
1)電鍍金剛石砂輪磨削加工平面的表面質(zhì)量較高，在本文實(shí)驗(yàn)條件下表面粗糙度Ra在0．285～0．82μm之間．
2)孔的直徑略大于砂輪直徑，孔直徑在兩個(gè)互相垂直方向上的基本一致．所加工孔的入口和出口沒有缺陷．
3)槽的寬度大于砂輪直徑，并且在相同主軸轉(zhuǎn)速下，隨著進(jìn)給速度的提高，偏差有增大趨勢(shì)．槽入口和出口處的崩邊沒有崩邊，在槽的兩個(gè)棱邊也沒有崩碎現(xiàn)象，保證了槽幾何形狀的完整．
參考文獻(xiàn):略
