磨削用量对超声辅助磨削碳化硅效果的影响

以碳化硅陶瓷(SiC)为代表的先进陶瓷材料具有优异的耐热性、耐磨性、耐腐蚀性及高硬度、低密度、化学惰性强等优良特性，使得此类材料可以胜任一些极端苛刻环境条件下的工作要求。近年来，这类陶瓷材料广泛应用于航空航天、空间技术、核能等高新技术领域，如SiC用于制备火箭发动机燃烧室喉衬及内衬、反射镜、轴承、燃气机叶片等零部件。

多数先进陶瓷材料采用近净成形的制备方法，但为了满足装配及使用要求，其构件一般需经过机械加工，以达到零部件的尺寸形状精度和表面质量要求。由于先进陶瓷材料的高硬脆性特点，采用金刚石砂轮进行磨削加工或者超声辅助磨削加工是较合适的加工方法。磨削加工时，陶瓷材料基本以脆性去除为主，从而引起材料表面/亚表面损伤，造成零件加工后力学性能下降进而影响其使用性能。研磨和抛光可有效改善加工表面的损伤状况，但生产效率很低。此外，由于陶瓷材料硬度高，金刚石砂轮在磨削过程中钝化较快，频繁地修整砂轮将进一步降低加工效率、增大生产成本，并容易引起金刚石磨粒的机械损伤。

超声辅助磨削(Ultrasonic assisted grinding，UAG)是集传统磨削加工与超声加工于一体的复合加工技术，与普通磨削(Conventionalgrinding，CG)相比，超声辅助磨削具有磨削力低、可改善材料磨削加工性能等一系列优点，尤其适于加工各种硬脆材料。按照振动维数的不同，超声辅助磨削的振动形式包括一维振动和二维振动。在一维振动形式下，超声振动方向可平行或垂直于加工表面，并将引起不同的加工效果。在超声振动方向垂直于加工表面的条件下，Mult、Liang、Ding等的研究证实了在较大的磨削用量范围内，超声辅助磨削可降低磨削力50%-60%。但现有研究并没有深入讨论磨削参数变化对超声辅助磨削效果的影响，使超声辅助磨削工艺的选取缺乏理论指导。

当超声振动方向垂直于加工表面时，采用杯形金刚石砂轮对SiC进行超声辅助磨削试验，研究了超声辅助磨削相对于普通磨削的磨削力、磨削力比和加工表面粗糙度特征，并分析了磨削参数变化对超声辅助磨削与普通磨削的磨削力、加工表面粗糙度差异的影响。

1  超声辅助磨削运动学分析

超声振动方向垂直于磨削加工表面时，其原理如图1所示。超声辅助磨削时，杯形金刚石砂轮以一定速度旋转，沿Z向以一定频率(20-30.4kHz)振动的同时沿Y向做进给运动。在这个过程中，通过磨粒对加工表面锤击与磨削的复合作用而实现材料去除。金刚石磨粒的运动轨迹可表示为

 

(1)

式中，R为砂轮半径；ω为角速度；vw为进给速度；A为振幅；f为频率；t为时间。

图1  超声辅助磨削

图2  磨粒运动轨迹曲线

根据式(1)，超声辅助磨削过程中单颗磨粒的运动轨迹为一空间三维正弦曲线，如图2所示。定义λ为这一曲线的波长，其值计算如下

λ=(vs+vw)/f                              (2)

式中，vs为磨削速度。

根据式(2)，λ由磨削速度、进给速度、振动频率共同决定，且随磨削速度与进给速度增大而增大，随谐振频率的增大而减小。

2  实验设备与条件

(1)试验设备

在DMG Ultrasonic 20 Linear立式超声高速加工中心上进行超声辅助磨削与普通磨削试验。试验系统如图3所示。

图3  超声辅助磨削试验系统

试验时，采用石蜡将工件粘结在夹具上，夹具通过螺栓与测力仪相连。超声辅助磨削与普通磨削试验均使用超声刀柄，其最大转速为40000r/min。超声刀柄主要由次级线圈、压电陶瓷换能器和变幅杆组成，单颗磨粒工具通过螺钉与变幅杆末端连接。超声辅助磨削时，超声电源将工频电信号转化为高频振荡电信号，经主轴末端初级线圈传送至刀柄次级线圈，并进一步经压电陶瓷换能器转化为机械能，再经变幅杆放大传送至单颗磨粒工具末端实现振动。进行普通磨削试验时，通过控制面板关闭超声功能即可。

(2)试验条件

试验用工具为金属结合剂杯形烧结金刚石砂轮。砂轮直径Φ24mm，壁厚2mm。金刚石磨粒平均粒径约91μm。试验前采用油石对其进行修锐，试验中采用砂轮端面进行加工。

试验材料为无压烧结SiC陶瓷，试样尺寸为30mm×10mm×10mm。磨削液为5%水基乳化液(Castrol 9954)。试验中同时使用外冷与内冷，其中外冷压力0.4MPa，内冷压力1MPa。具体磨削工艺参数、超声振动参数如表1所示。

(3)观测方法

采用Polytec单点激光测振仪对砂轮末端振幅及谐振频率进行测量，采样频率设为100 kHz。采用KISTLER 9272测力仪及5070A电荷放大器对磨削力进行测量。采用Mahr M1粗糙度仪对磨削表面粗糙度进行测量，测量方向垂直于磨削进给速度方向，取样长度为1.75mm。本文中磨削试样表面粗糙度值均为重复测量6次取平均值获得。采用Keyence VK-X100激光三维形貌测量系统对磨削表面轮廓特征进行测量。

表1  试验条件

3  实验结果与分析

(1)磨削力与力比

超声辅助磨削及普通磨削时，磨削力随磨削速度、进给速度及磨削深度变化的规律分别见图4-图6。由图可以看出，与普通磨削相比，超声辅助磨削可显著降低磨削力。

相同条件下超声辅助磨削时磨削力相比普通磨削时磨削力的降低幅度KF可定义为

KF=(FCG-FUAG)/FCG                                       (3)

式中，FUAG表示超声辅助磨削时的磨削力；FCG表示普通磨削时的磨削力。二者同时表示法向磨削力或切向磨削力。KF代表了超声辅助磨削过程中超声振动作用的显著程度。KF值越大，表明超声振动作用对磨削加工过程的影响越显著。

由图4可以看出，超声辅助磨削及普通磨削时，磨削力均随磨削速度的增大而显著降低，随磨削速度的增大，KF值呈减小趋势。在ap=5μm、vw=100mm/min条件下，当磨削速度vs从1.26m/s增至31.5m/s后，法向力、切向力KF值分别从39%和22%降至10.7%和7%。这意味着在超声辅助磨削过程中，磨削速度的增大明显弱化了超声振动作用对磨削过程的影响。

图4  磨削速度对磨削力及KF的影响

图5表明，进给速度增大后磨削力也随之增大。与磨削速度相似，磨削过程中随进给速度的增大，KF值同样呈减小趋势。在ap=5μm、vs=1.26m/s的条件下，当进给速度vw从50mm/min增至500mm/min后，法向力、切向力KF值分别从35.8%和27%降至27.8%和23.2%。从这一结果可知，虽然进给速度的增大也会弱化超声振动作用对磨削过程的影响，但与磨削速度相比，进给速度的影响相对较小。

图5  进给速度对磨削力及KF的影响

磨削力随磨削深度的变化规律如图6所示。磨削深度增大后，单颗磨粒切厚增大，同时砂轮与工件的接触弧长增大，因此磨削力也相应增大。从图6可以看出，在vs=1.26m/s、vw=100mm/min条件下，当磨削深度ap 从2μm增至14μm后，法向力、切向力KF值分别从37%和22.2%降至25.6%和15.8%，即KF值随磨削深度增大呈减小趋势。这表明，磨削深度增大后，超声振动作用对磨削过程的影响同样被弱化。

图6  磨削深度对磨削力及KF的影响

图7为普通磨削与超声辅助磨削的磨削力比值对比情况。由图可知，与普通磨削力比值(7.1-8.3)相比，超声辅助磨削力比值(5.9-7.2)降低较为明显。这意味着超声辅助磨削时，超声振动作用的引入使金刚石磨粒更易于切入工件，即此时砂轮相对更为锋利。

(2)已加工表面粗糙度

超声辅助磨削、普通磨削所获得的表面粗糙度Ra随磨削用量变化的规律如图8所示。可以看出，在振动方向垂直于加工表面的条件下，超声辅助磨削所获得的表面粗糙度大于普通磨削时。另外，无论是超声辅助磨削还是普通磨削，所获得的表面粗糙度均随磨削速度的增大而降低，随进给速度、磨削深度的增大而增大。当vw=100mm/min、ap=5μm、vs=31.5m/s时，超声辅助磨削与普通磨削所获得的表面粗糙度值最小，分别为Ra0.04μm和Ra0.03μm。

图7  超声辅助磨削与普通磨削的力比值对比

(a)磨削速度

(b)进给速度

(c)磨削深度

图8  磨削用量对表面粗糙度及KR的影响

用KR表示相同条件下超声辅助磨削时表面粗糙度相比普通磨削时表面粗糙度的增大幅度，定义如下

KR=(RaUAG-RaCG)/RaCG                           (4)

由图8a可知，随磨削速度的增大，KR显著降低。当进给速度vw=100mm/min、磨削深度ap=5 μm时，在磨削速度由1.26m/s增至31.5 m/s后，K′R从37%降低至10%，表明磨削速度为31.5 m/s时，超声振动作用对磨削表面质量的影响已经很小。而由图8b、c可知，KR随进给速度、磨削深度也有所降低，但变化相对较小。在ap=5μm、vs=1.26m/s条件下，当进给速度vw从50mm/min增大至500mm/min后，KR从36%降低至20%。在vs=1.26m/s、vw = 100 mm/min条件下，当进磨削深度ap 从2 μm增至14μm后，KR从37%降至23%。

(3)结果分析

在超声辅助磨削过程中，当超声振动方向垂直于磨削加工表面时，金刚石磨粒在有规律地锤击工件表面的同时进行磨削作用，如图9所示。

图9  超声辅助磨削时磨粒的锤击、磨削作用

相比普通磨削，对于SiC等硬脆材料而言，锤击作用更容易萌生并扩展材料内部裂纹。同时，在磨粒的磨削作用下，材料更容易被去除，因而磨削力较小。但是，超声辅助磨削的表面粗糙度会有一定程度的恶化。超声辅助磨削与普通磨削在磨削力、表面粗糙度上的差异程度，主要取决于超声辅助磨削时磨粒运动轨迹曲线波长的大小，即图9中所示的λ。λ越大，锤击作用越弱，则超声辅助磨削越接近于普通磨削过程。由式(2)可知，λ随磨削速度vs、进给速度vw的增大而增大，因此KF、KR随vs、vw的增大而降低。另外，由于磨削加工时一般vs>>vw，因此相比较而言，vs对磨削过程的影响更大，而vw影响较小。对于磨削深度ap，在式(2)中没有体现，其影响KF、KR值的原因可能在于ap增大后工具所受载荷增大，此时超声振动系统承受较大的负载阻抗，导致工具末端振幅有所降低所致。

小结

(1)当超声振动方向垂直于加工表面时，与普通磨削相比，超声辅助磨削可有效降低磨削力和力比，但会导致加工表面质量的恶化。法向力可降低39%，切向磨削力可降低22%。在试验参数范围内，普通磨削力比值约为7.1-8.3，而超声辅助磨削力比值约为5.9-7.2。与普通磨削相比，超声辅助磨削时表面粗糙度Ra最大可增加37%。

(2)磨削用量对超声振动作用有显著影响。磨削速度vs由1.26m/s增至12.6m/s后，超声振动作用对磨削过程的影响已显著减弱。随着进给速度、磨削深度的增大，超声振动对磨削过程的影响也有所减弱。

原载《工具技术》  作者：丁凯     

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