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碳化硅陶瓷高效端面磨削試驗研究

碳化硅(SiC)陶瓷材料具有高硬度、高耐磨性、耐腐蝕、耐高溫、密度低和導熱性好等優(yōu)良性能，廣泛應用于航空航天、機械制造、汽車零部件和國防軍工等領域。目前，利用金剛石砂輪磨削加工碳化硅是應用較為廣泛的一種加工方法，國內磨削加工主要進行小磨削深度的試驗研究，加工效率較低。王健等對亞磨削面損傷檢測方法進行了深入研究，采用電鍍金剛石砂輪進行反應燒結碳化硅磨削試驗，其進給速度為100mm/min、磨削深度為0.05mm。結果表明，角度拋光法和截面顯微觀測法可對磨削亞表面損傷進行精確直觀的檢測;賀勇等研究了單顆金剛石磨粒磨削SiC的磨削力變化，其工作臺速度為25m/min，磨削深度最大為40μm，結果表明磨粒頂錐角對磨削力有明顯影響，磨削力隨角度的增大而增大;姚旺等采用金剛石砂輪對反應燒結碳化硅進行了磨削研究，分析了其材料去除機理主要為脆性斷裂去除，局部材料去除方式為塑性切除。

本文采用金剛石砂輪對碳化硅陶瓷進行端面磨削正交試驗研究，試驗參數選用低進給速度和大磨削深度，探究了不同磨削參數對磨削力和磨削面質量的影響規(guī)律，分析了磨削表面的損傷形式，進一步驗證了碳化硅陶瓷磨削加工材料去除機理，對碳化硅磨削加工具有一定的參考意義。

1 試驗條件

試驗機床為BV75立式加工中心，其主要性能參數見表1。

表1 BV75立式加工中心性能參數

試驗選用樹脂結合劑金剛石砂輪(見圖1)，砂輪直徑60mm，寬度35mm，粒度80目。利用砂輪端面進行平面磨削，工作臺進給方向為X負方向(見圖2)。試驗材料為反應燒結碳化硅，尺寸96mm×56mm×15mm，材料力學性能見表2。

表2 碳化硅力學性能

試驗主要探究磨削過程中磨削力的變化及砂輪轉速n、砂輪進給速度v、磨削深度ap對磨削表面質量的影響，正交試驗因素水平選取見表3。SiC陶瓷正交磨削試驗結果見表4。

圖1 金剛石砂輪

圖2 磨削示意圖

表3 SiC陶瓷磨削正交試驗因素水平表

表4 正交試驗直觀分析表

2 試驗結果與分析

(1)磨削力

圖3a是磨削力隨砂輪轉速的變化曲線。由圖可知，隨著砂輪轉速的增加，磨削力總體變化趨勢增大，這是因為采用平面磨削法，當轉速較高時，砂輪柄所受的預緊力對砂輪轉動的平穩(wěn)性影響較大，砂輪端面在Z方向產生波動，導致磨削力增大。圖3b和圖3c分別為磨削力隨進給速度和磨削深度的變化曲線。由圖可知，磨削力隨進給速度和磨削深度的增大而增大，這是由于當進給速度和磨削深度增大時，砂輪磨粒對碳化硅材料的摩擦磨損作用增強，故磨削力增大。

對比圖3a、圖3b和圖3c可以看出，Y方向的磨削力大于其它兩個方向的磨削力。分析不同方向磨削力產生的原因，單顆磨粒在某一時刻的運動速度可以分解為沿X方向的速度和沿Y方向的速度，X方向的速度等于進給速度，Y方向的速度等于這一點的線速度。由于試驗采用的進給速度較小，砂輪作高速轉動，Y向速度遠遠大于X向速度，Y向的摩擦磨損作用強于X向摩擦磨損作用，故Y向磨削力大于X向磨削力。Z向磨削力主要由砂輪在Z向上的振動產生，由于砂輪運動方式主要為在X-Y平面內的進給運動，在Z向上的振幅較小，故磨削力較小。

(a)

(b)

(c)

圖3 磨削力隨磨削參數變化曲線

(2)表面粗糙度

圖4a是表面粗糙度隨砂輪轉速的變化曲線。由圖可知，當轉速為7000r/min時，磨削表面粗糙度遠大于5000r/min和6000r/min，粗糙度隨砂輪轉速的增大而增大，磨削表面有清晰的砂輪磨粒磨痕。因為試驗采用砂輪端面磨削方法，砂輪柄預緊力對砂輪在X-Y平面內的旋轉平穩(wěn)性有很大影響，當轉速達到7000r/min時，高速旋轉使砂輪的不穩(wěn)定性增加，單顆磨粒在磨削表面摩擦材料時的縱向振幅較大，因而磨削表面砂輪顆粒磨痕顯著增多，表面粗糙度增大。

圖4b是表面粗糙度隨進給速度的變化曲線。由圖可知，進給速度為4mm/min和5mm/min時，磨削表面粗糙度變化符合經驗規(guī)律，呈增大趨勢;當進給速度較小時，進給速度對粗糙度的影響不大，可選用較大進給速度，保證磨削加工效率。當進給速度為3mm/min時，磨削表面粗糙度值較大，由表4第7組試驗可知，粗糙度為2.708μm，這是由于高轉速下的砂輪預緊力影響作用顯著，砂輪在高轉速下平穩(wěn)性降低，單顆磨粒在磨削表面運動時縱向振幅增大，使得表面粗糙度較大。

圖4c是表面粗糙度隨磨削深度的變化曲線。由圖可知，磨削表面粗糙度隨磨削深度的增大而增大。

在進給量一定時，當磨削深度增加，材料單位時間去除體積增大，材料去除不充分，使磨削表面在材料脆性斷裂后的殘余應力增加，故表面粗糙度增大。

(a)

(b)

(c)

圖4 表面粗糙度隨磨削參數變化曲線

(3)磨削加工損傷

圖5是采用掃描電子顯微鏡放大5000倍后的磨削表面，可以觀察到不同類型的磨削表面特征。圖5a和圖5b中均有面積較大的脆性斷裂，說明碳化硅陶瓷材料磨削加工的材料去除形式主要為脆性斷裂去除。從圖5a中可以觀察到因為磨削熱而產生材料“熔覆”現(xiàn)象，其上有砂輪磨粒摩擦留下的劃痕，顏色較深的黑色區(qū)域為材料固有的原始孔洞缺陷。從圖5b中可以觀察到磨削過程中產生的裂紋。觀察與磨削面垂直的側表面上邊緣，有肉眼可見的“崩邊”損傷?！氨肋叀笔翘沾杉庸ぶ谐Ｒ姷膿p傷，主要是因為在磨削過程中，裂紋向材料邊緣擴展導致材料斷裂去除。

圖6是材料“崩邊”損傷的微觀形貌。從圖中可以看出，“崩邊”損傷的實質是材料的塊狀崩碎;圖6b為碳化硅“崩邊”損傷的微觀形貌，可以看出，“崩邊”損傷也是由于材料的脆性斷裂去除造成的。

(a) (b)

圖5 磨削面微觀形貌(5000×)

(a) (b)

圖6 “崩邊”損傷微觀形貌

在碳化硅陶瓷材料磨削加工中，材料去除的主要形式是脆性去除。當材料所受磨粒平均載荷超過其臨界切削載荷時，會出現(xiàn)橫向裂紋和徑向裂紋現(xiàn)象。隨著橫向裂紋的擴展，材料發(fā)生脆性斷裂，最終以塊狀剝落的形式去除。在磨削加工過程中，材料去除還伴隨著塑性變形。這是因為在磨削過程中，磨粒與材料發(fā)生劇烈摩擦與擠壓，同時產生大量的熱量，當磨粒對材料平均載荷低于碳化硅臨界切削載荷時，材料將發(fā)生塑性變形。

小結

在現(xiàn)有研究基礎上，采用大磨削深度對碳化硅進行磨削正交試驗研究，進一步驗證了磨削加工材料去除機理，探究了不同磨削參數對磨削力和磨削表面粗糙度的影響。試驗結果表明：

(1)金剛石砂輪磨削碳化硅陶瓷時，材料去除形式主要是裂紋擴展造成的材料脆性斷裂去除，在磨削載荷小于材料臨界切削載荷時，材料會發(fā)生塑性變形。

(2)磨削表面的損傷形式主要有徑向裂紋、橫向裂紋和高溫熔覆;垂直磨削面的側面會出現(xiàn)“崩邊”損傷。

(3)在采用小進給速度和大磨削深度磨削時，當砂輪轉速較大，砂輪預緊力對磨削力和磨削面粗糙度的影響顯著，在轉速較高的條件下，預緊力的影響大于砂輪轉速和進給速度的影響。

(4)大磨削深度可以獲得較好的磨削表面質量。對比不同參數對磨削結果的影響，當砂輪轉速5000r/min、進給速度5mm/min、磨削深度2mm時，磨削表面質量最好。