戚澤海，關(guān)佳亮，路文文，孫曉楠，胡志遠(yuǎn)，張 妤

(北京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京 100124)

航天用SiC反射鏡超聲振動輔助磨削工藝研究

戚澤海，關(guān)佳亮，路文文，孫曉楠，胡志遠(yuǎn)，張 妤

(北京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京 100124)

針對航天用SiC反射鏡的低加工效率、表面質(zhì)量差等難題，采用超聲振動輔助磨削技術(shù)對其進(jìn)行工藝實(shí)驗(yàn)研究。首先，通過選用樹脂結(jié)合劑金剛石杯型砂輪并采取柵線式磨削研究不同工藝參數(shù)對磨削效率的影響關(guān)系。然后采取螺旋式磨削進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)探究超聲振幅、進(jìn)給速度、砂輪轉(zhuǎn)速、磨削深度對表面粗糙度的影響，并采用極差法分析探究各因素對工件磨削質(zhì)量影響程度的大小。研究結(jié)果表明:當(dāng)超聲振幅5μm，進(jìn)給速度80mm/min，砂輪轉(zhuǎn)速6000r/min，磨削深度2μm時可獲得表面粗糙度Ra97nm的已加工表面。

SiC反射鏡；超聲振動輔助磨削技術(shù)；正交試驗(yàn)

0 引言

SiC材料除具有硬度高，強(qiáng)度大外，因其較高的比剛度、熱膨脹系數(shù)小及熱導(dǎo)率大等優(yōu)點(diǎn)使得該材料能實(shí)現(xiàn)相同機(jī)械性能的輕量化和熱穩(wěn)定性。因此通常用SiC材料加工制造航天用輕量級反射鏡[1-3]。普通磨削在加工SiC反射鏡過程中砂輪極易磨損，且隨著磨削力增加，加工表面質(zhì)量下降，無法保證加工面型精度要求，同時會出現(xiàn)表面、亞表面裂紋導(dǎo)致零件報廢。近幾年國內(nèi)外諸多學(xué)者對航天用輕量級大直徑SiC反射鏡的其他加工制造進(jìn)行了研究并取得了先進(jìn)成果。范鏑[4]通過對碳化硅反射鏡進(jìn)行拋光實(shí)驗(yàn),研究不同拋光工藝參數(shù)對碳化硅反射鏡表面粗糙度的影響，并對各個參數(shù)加以優(yōu)化。肖強(qiáng)[5]通過ELID磨削技術(shù)對SiC進(jìn)行磨削試驗(yàn)探究及優(yōu)化磨削工藝參數(shù)。盡管通過拋光技術(shù)、ELID磨削技術(shù)等可得到較好的加工表面，但加工效率低、成本高、廢品率高等突出問題依舊制約著航天用SiC反射鏡的發(fā)展。而超聲振動輔助磨削技術(shù)針對加工硬脆材料具有加工效率高、可有效解決砂輪堵塞問題、加工表面損傷及殘余應(yīng)力小等突出優(yōu)點(diǎn)，使其成為精密加工SiC反射鏡的主要方式之一。為了進(jìn)一步提高航天用輕量級SiC反射鏡的加工效率和表面粗糙度，本文使用DMG US-125P超聲銑磨加工中心對SiC材料進(jìn)行超聲振動輔助磨削研究。在半精磨及精磨階段分別研究了不同磨削工藝參數(shù)對磨削效率及表面質(zhì)量的影響規(guī)律，為后續(xù)SiC反射鏡的超聲振動輔助磨削加工提供工藝研究基礎(chǔ)。

1 經(jīng)向超聲振動輔助磨削原理

超聲振動輔助磨削是一種將超聲波加工和磨削加工復(fù)合的加工工藝，即在傳統(tǒng)磨削的基礎(chǔ)上給工件或者是砂輪附加一維或者二維的超聲振動，利用超聲波振動和砂輪磨削的復(fù)合作用來形成加工表面[6]。本文采用的一維經(jīng)向超聲振動輔助磨削原理如圖1所示，通過超聲波發(fā)生器發(fā)出高頻振動信號后經(jīng)過數(shù)字頻率計(jì)及換能器轉(zhuǎn)化為機(jī)械振動，進(jìn)而通過變幅桿將機(jī)械振動放大至0～20μm，帶動砂輪上下高頻微振動而不斷沖擊加工工件表面從而實(shí)現(xiàn)對SiC反射鏡的超聲振動磨削加工。

圖1 一維經(jīng)向超聲振動輔助磨削原理

2 SiC反射鏡超聲振動輔助磨削試驗(yàn)方案的確定

2.1 砂輪的確定

由于本次所加工的SiC反射鏡坯料為常壓燒結(jié)，直徑為φ175mm如圖2所示，其材料相關(guān)性能參數(shù)如表1所示。

表1 常壓燒結(jié)碳化硅材料性能參數(shù)

由于SiC材料硬度高且強(qiáng)度大，加工時主要為硬質(zhì)相磨損，對砂輪磨料的沖擊和磨損非常劇烈，為保證砂輪能夠進(jìn)行持續(xù)有效的磨削，要求砂輪結(jié)合劑具有很強(qiáng)的把持力。同時，SiC材料磨削粉末吸附性較強(qiáng)易對砂輪造成堵塞，導(dǎo)致加工效率降低和被加工表面粗糙度升高。因此選擇彈性好、耐沖擊、自銳性較好的樹脂基金剛石砂輪[7-8]。同時由于本文使用的DMG US-125P超聲銑磨加工中心(定位精度0.006mm，重復(fù)定位精度0.004mm，幾何精度X軸精度為6μm/500mm，Y軸精度為8μm/500mm，超聲輔助磨削砂輪最大轉(zhuǎn)速18000r/min)發(fā)出的超聲波為縱波，因此選擇用于端面磨削的杯型砂輪。砂輪直徑為φ100mm，金剛石磨粒層寬度為2mm，金剛石磨粒層深度為8mm，如圖3所示。

圖2 SiC反射鏡坯料 圖3 金剛石杯型砂輪

2.2 磨削方式及方案的確定

SiC反射鏡平面銑磨加工的磨削方式主要分為“柵線式”和“螺旋式”兩種，其原理如圖4所示。經(jīng)已有實(shí)驗(yàn)研究可知“柵線式”相比于“螺旋式”磨削SiC反射鏡因磨削區(qū)域重疊部分較少，在高頻的超聲振動輔助磨削下使“柵線式”磨削單位時間內(nèi)材料去除率較高。而正因超聲振動的加入使磨削區(qū)域重疊部分較多的“螺旋式”磨削單位面積內(nèi)參與磨削的不同高度磨粒運(yùn)動軌跡復(fù)雜，且相互交錯，能夠?qū)崿F(xiàn)對SiC反射鏡的全面磨削。因此采用“螺旋式”磨削相比于“柵線式”而言被加工表面質(zhì)量好[9]。因此本試驗(yàn)參數(shù)優(yōu)化分為兩個階段，半精磨時采用240#粒度樹脂基金剛石砂輪進(jìn)行“柵線式”磨削研究不同工藝參數(shù)對SiC磨削效率的影響規(guī)律。精磨時采用W20粒度樹脂基金剛石砂輪進(jìn)行“螺旋式”磨削研究影響表面粗糙度的最優(yōu)工藝參數(shù)及其優(yōu)先水平。

(a)柵線式磨削 (b) 螺旋式磨削圖4 柵線式和螺旋式磨削軌跡示意圖

3 半精磨加工效率試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)指標(biāo)和因素水平的確定

磨削效率是衡量SiC反射鏡在粗磨、半精磨階段是否合格的重要標(biāo)準(zhǔn)，因此選用磨削效率作為半精磨階段的試驗(yàn)指標(biāo)。試驗(yàn)前，首先利用測幅儀對DMG US-125P超聲機(jī)床進(jìn)行現(xiàn)場檢測得知超聲頻率為23kHz時，超聲波傳遞效果最佳。因此在超聲頻率為23kHz下將超聲振幅、進(jìn)給速度、砂輪轉(zhuǎn)速、磨削深度設(shè)為本試驗(yàn)的試驗(yàn)因素，各因素均取三個水平，四因素三水平如表2所示。

表2 四因素三水平編碼表

3.2 試驗(yàn)結(jié)果的分析

通過采用控制單一變量法分別試驗(yàn)研究砂輪轉(zhuǎn)速、超聲振幅、磨削深度、進(jìn)給速度四因素在三水平下對SiC反射鏡磨削效率的影響。其中以實(shí)際測量的SiC反射鏡去除厚度作為磨削效率的反應(yīng)指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。從圖5中可知，隨著砂輪轉(zhuǎn)速的增大在單位時間內(nèi)參與磨削的有效磨粒數(shù)也增加,即去除量呈增大趨勢；隨著超聲振幅從10μm增大到20μm，有效去除量呈先增大后減小的趨勢。因?yàn)楫?dāng)超聲振幅大于磨削深度時砂輪與工件是處于間歇式接觸，故過大的超聲振幅會降低磨削效率。隨著進(jìn)給速度和磨削深度的增大，有效去除量呈減小趨勢，由于超聲振幅的加入使得在半精磨階段過大的磨削深度及進(jìn)給速度嚴(yán)重影響砂輪的磨損進(jìn)而影響磨削效率。經(jīng)過大量的正交試驗(yàn)驗(yàn)證在半精磨階段采用240#粒度樹脂基金剛石砂輪進(jìn)行柵線式磨削在砂輪轉(zhuǎn)速6000r/min以上，超聲振幅15μm左右，磨削深度10μm，進(jìn)給速度100mm/min左右時，磨削加工時間從80h縮短到48h。

圖5 工藝參數(shù)水平對加工效率的影響

4 精磨加工工藝參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)指標(biāo)和因素水平的確定

SiC反射鏡加工性能的好壞除考慮加工效率外更關(guān)注加工表面質(zhì)量，因此本文選取SiC反射鏡的表面粗糙度作為試驗(yàn)指標(biāo)。由本實(shí)驗(yàn)室前期針對SiC材料在平面磨床上利用樹脂基金剛石砂輪進(jìn)行普通磨削工藝實(shí)驗(yàn)已知當(dāng)在精磨階段時磨削深度在10μm以下，砂輪轉(zhuǎn)速在2000r/min以上及進(jìn)給速度100mm/min以下磨削效果較好。在DMG US-125P超聲銑磨加工中心采用螺旋式磨削方式進(jìn)行四因素正交試驗(yàn)，各試驗(yàn)因素均取三個水平。四因素三水平表如表3所示。并采用控制單一變量法分別試驗(yàn)研究砂輪轉(zhuǎn)速、超聲振幅、磨削深度、進(jìn)給速度四因素在三水平下對SiC反射鏡表面粗糙度的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

表3 四因素三水平編碼表

圖6 四因素對表面粗糙度的影響規(guī)律

4.2 試驗(yàn)方案

采用四因素三水平設(shè)計(jì)9組試驗(yàn)，并且按照表4設(shè)計(jì)的參數(shù)采用W20粒度砂輪對SiC材料進(jìn)行超聲振動輔助磨削試驗(yàn)，經(jīng)TR300粗糙度形狀檢測儀對精加工工件檢測結(jié)果如表4所示。

表4 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表及測試結(jié)果

4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.3.1 試驗(yàn)因素的最優(yōu)參數(shù)組合及優(yōu)先水平

由表4可知超聲振幅在A1(5μm)的水平下對表面粗糙度的影響在第1、2、3組試驗(yàn)中，在A2(8μm)水平下對表面粗糙度的影響反映在第4、5、6組試驗(yàn)中，在A3(10μm)水平下對表面粗糙度的影響反映在第7、8、9組試驗(yàn)中[10]。

只考慮超聲振幅在A1、A2、A3三水平下對表面粗糙度指標(biāo)而言，三組試驗(yàn)的試驗(yàn)條件是完全一致的(綜合可比性)。但經(jīng)計(jì)算得RA1、RA2、RA3不相等，因此表明超聲振幅的大小對試驗(yàn)結(jié)果有影響。由于本次試驗(yàn)以表面粗糙度作為指標(biāo)，而RA1

4.3.2 各因素對表面粗糙度影響的優(yōu)先水平

本試驗(yàn)極差值R反應(yīng)的是某一因素取不同的參數(shù)值時，表面粗糙度值變化波動的大小。因此可以根據(jù)各因素極差R的大小來判斷各因素對樣件表面粗糙度影響的優(yōu)先水平。由表4可知RC>RA>RD>RB，即對SiC材料超聲振動輔助磨削加工表面粗糙度的影響由大到小為砂輪轉(zhuǎn)速>超聲振幅>磨削深度>進(jìn)給速度。

5 最優(yōu)工藝參數(shù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及分析

通過正交試驗(yàn)得到對SiC材料超聲振動輔助磨削的最優(yōu)工藝參數(shù)為超聲振幅5μm進(jìn)給速度80mm/min，砂輪轉(zhuǎn)速6000r/min，磨削深度2μm。本文采用W20的樹脂基金剛石砂輪在此工藝參數(shù)的基礎(chǔ)上對SiC材料進(jìn)行超聲振動輔助磨削，經(jīng)用TR300粗糙度形狀檢測儀進(jìn)行測量可得表面粗糙度為97nm的已加工表面。分析可知，在徑向超聲振動輔助磨削過程中，磨粒在垂直于工件表面方向上存在一個附加高頻振動，這個振動對表面的沖擊作用有利于SiC表面裂紋的生成與擴(kuò)展即容易發(fā)生脆性斷裂形成破碎凹坑從而易造成SiC材料的宏觀去除，使得SiC材料的去除效率大大增加。另外磨削時超聲振動的加入使砂輪運(yùn)動軌跡由平面螺旋運(yùn)動變成平面螺旋運(yùn)動與垂直面正弦運(yùn)動的組合，單位時間單位面積內(nèi)參與磨削的磨粒數(shù)量增加，且工件表面磨粒運(yùn)動軌跡復(fù)雜，相互交錯，局部范圍內(nèi)形成類似研磨的磨削表面，因此工件表面粗糙度降低，磨削質(zhì)量提高。

6 結(jié)論

通過在DMG US-125P超聲銑磨加工中心對SiC反射鏡進(jìn)行超聲振動輔助磨削可以得到如下結(jié)論：

(1)在半精磨階段采用240#粒度樹脂基金剛石砂輪進(jìn)行柵線式磨削，隨著砂輪轉(zhuǎn)速的增大，有效去除量呈增大趨勢；隨著進(jìn)給速度和切削深度的增大，有效去除量呈減小趨勢；隨著超聲振幅的增大，有效去除量呈先增大后減小的趨勢。

(2)通過正交試驗(yàn)極差法可知，各因素對SiC材料表面粗糙度影響程度由大至小為：砂輪轉(zhuǎn)速、超聲振幅、磨削深度、進(jìn)給速度。

(3)當(dāng)超聲振幅5μm，進(jìn)給速度80mm/min，砂輪轉(zhuǎn)速6000r/min，磨削深度2μm時獲得表面粗糙度Ra97nm的已加工表面，滿足航天要求。

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(編輯 李秀敏)

Research on Ultrasonic Vibration Assisted Grinding of Aerospace SiC Mirror

QI Ze-hai, GUAN Jia-liang, LU Wen-wen, SUN Xiao-nan, HU Zhi-yuan, ZHANG Yu

(College of Mechanical Engineering and Applied Electronics Technology, Beijing University of Technology, Beijing 100124,China)

Aiming at low machining efficiency,bad surface quality and other defects of astronautic SiC mirror, experimental research were carried out by ultrasonic assisted grinding technique.First,through choosing resin bond diamond cup grinding wheel,influence relation between different process parameters and the grinding efficiency was studied by using grid line grinding.Then,by using auger-type grinding,orthogonal experiment were carried out in order to research the influence of surface roughness about ultrasonic amplitude、feed speed、wheel speed、grinding depth.And used range analysis to study the impact of various factors on the size of the prototype grinding quality.Studies show that the machined surface roughness ofRa97nm is obtained with the ultrasonic amplitude of 5μm, the feed speed of 80mm/min,the wheel speed of 6000r/min,and the grinding depth of 2μm.

SiC mirror; ultrasonic vibration assisted grinding; orthogonal test

1001-2265(2017)08-0108-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.08.027

2016-10-17；

2017-01-09

戚澤海(1992—)，男，山東臨沂人，北京工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)槌病⒂泊嗟入y加工材料的精密超精密鏡面磨削加工技術(shù)，(E-mail)qizehai@emails.bjut.edu.cn。

TH161；TG506

A