閆海鵬，吳玉厚,b，王 賀,b

(沈陽(yáng)建筑大學(xué) a.機(jī)械工程學(xué)院；b.高檔石材數(shù)控加工裝備與技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng) 110168)

0 引言

工程陶瓷具有在高溫下強(qiáng)度高、硬度大、耐腐蝕、耐磨損等諸多優(yōu)點(diǎn)，是航空技術(shù)、工業(yè)設(shè)備等領(lǐng)域中的重要材料[1-2]。工程陶瓷日益受到廣泛關(guān)注，對(duì)其加工表面質(zhì)量要求也越來(lái)越高，其一般采用磨削方法加工，但由于其硬脆性，加工過(guò)程中容易出現(xiàn)裂紋、崩碎等現(xiàn)象[3-4]。表面粗糙度是表征加工表面質(zhì)量好壞的度量方法之一，而影響表面粗糙度的因素較多[5-6]，如磨削參數(shù)、機(jī)床剛度、磨削溫度等。吳玉厚等[7]分析了砂輪線速度、徑向進(jìn)給速度和軸向振蕩速度對(duì)氮化硅陶瓷材料表面粗糙度的影響，但并沒(méi)有研究其他因素的影響；YU等[8]研究了磨粒葉序排布與磨削表面粗糙度關(guān)系，得到葉序系數(shù)越大表面粗糙度也越大；郭力等[9]介紹了磨削參數(shù)與磨削溫度的關(guān)系以及它們對(duì)加工表面質(zhì)量的影響；程軍等[10-11]討論了微磨削表面質(zhì)量的影響因素，并建立了硬脆材料延性域、脆性域及復(fù)合域臨界條件；此外，還有學(xué)者研究了砂輪振動(dòng)對(duì)表面粗糙度、表面形貌及損傷的影響[12-13]。目前，很少有學(xué)者同時(shí)研究更多因素對(duì)表面粗糙度的影響。而對(duì)于一些預(yù)測(cè)表面粗糙度的方法，劉堅(jiān)等[14]通過(guò)圖像質(zhì)量算法實(shí)現(xiàn)了磨削表面粗糙度的非接觸測(cè)量方式預(yù)測(cè)；王海濤等[15]利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)磨削加工表面粗糙度進(jìn)行預(yù)測(cè)，獲得了較好的預(yù)測(cè)效果。

在實(shí)際加工中，砂輪磨粒大小也是影響加工表面粗糙度的一個(gè)重要因素，而在以往的研究中，鮮有報(bào)道結(jié)合砂輪粒度研究磨削參數(shù)對(duì)工程陶瓷內(nèi)圓磨削表面粗糙度的影響。本文通過(guò)進(jìn)行氮化硅陶瓷內(nèi)圓磨削正交試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果結(jié)合理論分析砂輪線速度、工件線速度、磨削深度對(duì)加工表面粗糙度的影響規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究了砂輪粒度單一因素對(duì)磨削表面粗糙度的影響，更加準(zhǔn)確地建立了氮化硅陶瓷內(nèi)圓磨削表面粗糙度經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)模型，為實(shí)際加工合理選擇磨削參數(shù)提供了一定參考。

1 內(nèi)圓磨削正交試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

如圖1所示，本文試驗(yàn)機(jī)床為高精度MK2710數(shù)控內(nèi)外圓復(fù)合磨床；砂輪為120#的金屬結(jié)合劑金剛石砂輪，其外徑外55mm，厚度為3mm；磨削工件為氮化硅陶瓷套圈，其內(nèi)徑為65mm，HRC硬度為80Ga。磨削過(guò)程中使用的冷卻液為1:20乳化油。

(a) MK2710磨床 (b) 磨削試驗(yàn) 圖1 試驗(yàn)機(jī)床與磨削示意

1.2 試驗(yàn)方案

為了研究磨削參數(shù)對(duì)氮化硅陶瓷套圈內(nèi)圓磨削表面粗糙度的影響規(guī)律，本文采用正交試驗(yàn)方案來(lái)進(jìn)行氮化硅陶瓷內(nèi)圓磨削試驗(yàn)。試驗(yàn)為3個(gè)因素(砂輪線速度vs、工件線速度vw和磨削深度ap)，各因素選取3個(gè)水平，共進(jìn)行9組試驗(yàn)，正交試驗(yàn)表如表1所示。

表1 正交試驗(yàn)表

1.3 試驗(yàn)結(jié)果

采用如圖2所示的Taylor Hobson粗糙度測(cè)量?jī)x測(cè)量加工表面的粗糙度值，測(cè)量結(jié)果如表1所示。

圖2 粗糙度測(cè)量?jī)x

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

由試驗(yàn)結(jié)果可知，本試驗(yàn)獲得了表面粗糙度從0.3653μm～0.5424μm的一系列磨削加工表面。進(jìn)一步分析正交試驗(yàn)結(jié)果，得到氮化硅陶瓷內(nèi)圓磨削加工表面粗糙度與砂輪線速度、工件線速度以及磨削深度的關(guān)系如圖3所示。

由圖3可知，表面粗糙度隨砂輪線速度的提高而逐漸降低，砂輪線速度由17m/s提高到51m/s過(guò)程中，表面粗糙度從0.4965μm下降至0.3881μm，降低了21.83%；而隨著工件線速度的提高，表面粗糙度不斷增大，工件線速度從1200mm/min升高至12000mm/min過(guò)程中，表面粗糙度由0.4063μm增大到0.4801μm，增加了18.16%；磨削深度由4μm增大到20μm過(guò)程中，表面粗糙度由0.4391μm先是稍有降低，在磨削深度為12μm時(shí)，表面粗糙度降至0.4316μm，隨后又呈上升趨勢(shì)，最后增至0.4424μm，從數(shù)據(jù)上看，磨削深度的改變對(duì)表面粗糙度的影響不是很大，僅升高了0.75%。

(a) 砂輪線速度對(duì)表面粗糙度的影響

(b) 工件線速度對(duì)表面粗糙度的影響

(c) 磨削深度對(duì)表面粗糙度的影響圖3 磨削參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響

砂輪線速度的提高，增加了單位時(shí)間內(nèi)磨粒切刃的切削次數(shù)，即減少磨粒的單次切削時(shí)間，從而減小兩相鄰切刃切除材料后在加工表面留下凸起的高度，且有助于磨削熱量的擴(kuò)撒，所以會(huì)降低表面粗糙度。增高工件線速度與提高砂輪線速度相反，將使兩相鄰切削刃之間切除的材料增多，且在加工表面留下的凸起升高，從而導(dǎo)致表面粗糙度增大。從理論上分析，磨削深度的增加將使同時(shí)參與切削的磨粒切削刃增多，導(dǎo)致磨削力增大，切削溫度升高，以至于降低加工表面質(zhì)量。但由試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，雖然整體上表面粗糙度隨磨削深度的增大而增大，但磨削深度的改變對(duì)表面粗糙度的影響并不大。這是因?yàn)樵趯?shí)際加工過(guò)程中，磨削用量是緩慢進(jìn)給到最終磨削深度的，而并非是直接以磨削深度進(jìn)行加工。

依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得到第7組試驗(yàn)獲得的加工表面粗糙度最小，為0.3635μm。但綜上分析，在本試驗(yàn)參數(shù)條件下，當(dāng)砂輪線速度vs=51m/s，工件線速度vw=1200mm/min，磨削深度ap=4μm時(shí)，理論上可獲得質(zhì)量更好的加工表面。

3 砂輪粒度對(duì)表面粗糙度的影響

為進(jìn)一步分析磨削氮化硅陶瓷加工表面粗糙度的影響因素，在正交試驗(yàn)基礎(chǔ)上，進(jìn)行了改變砂輪磨粒粒度號(hào)M的單因素試驗(yàn)。試驗(yàn)參數(shù)及表面粗糙度測(cè)量結(jié)果如表2所示。

表2 砂輪粒度單一因素試驗(yàn)

圖4為根據(jù)表2試驗(yàn)結(jié)果繪制的砂輪粒度對(duì)表面粗糙度的影響關(guān)系圖。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，表面粗糙度隨砂輪粒度號(hào)的增大而呈減小趨勢(shì)。由于砂輪粒度號(hào)越大，磨粒的粒徑尺寸越小，在砂輪表面單位面積上的磨粒個(gè)數(shù)越多，磨粒的出刃高度降低，同時(shí)，在其他條件不變的情況下，實(shí)際參加切削的磨粒數(shù)增多。因此，砂輪粒度號(hào)越大，加工表面切痕間距越小，劃痕越淺，從而降低了表面粗糙度，提高了加工表面質(zhì)量。此外，同時(shí)參與切削的磨粒數(shù)越多，單個(gè)磨粒承受的磨削力就會(huì)越小，也有助于提高加工表面質(zhì)量。

進(jìn)一步分析，表2中當(dāng)采用與正交試驗(yàn)相同的砂輪粒度，即M為120#時(shí)，在砂輪線速度vs=51m/s、工件線速度vw=1200mm/min、磨削深度ap=4μm條件下得到的表面粗糙度為0.3582μm，小于正交試驗(yàn)獲得的表面粗糙度，這也驗(yàn)證了第2小節(jié)的綜合分析結(jié)果。

圖4 砂輪粒度對(duì)表面粗糙度的影響

4 表面粗糙度預(yù)測(cè)模型

4.1 正交試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)模型

為了更好地分析磨削參數(shù)對(duì)加工表面粗糙度的影響規(guī)律，本文根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式并結(jié)合正交試驗(yàn)結(jié)果建立氮化硅陶瓷內(nèi)圓磨削的表面粗糙度預(yù)測(cè)模型。模型的因變量為砂輪線速度、工件線速度與磨削深度這3個(gè)磨削參數(shù)，具體公式形式如式(1)所示。

(1)

式中，k為機(jī)床與砂輪振動(dòng)、磨削溫度、加工條件等綜合影響系數(shù)，b1、b2、b3分別是各磨削參數(shù)的指數(shù)，其值大小反應(yīng)了各磨削參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響程度。

為了便于對(duì)經(jīng)驗(yàn)公式各項(xiàng)系數(shù)進(jìn)行估計(jì)，將式(1)作線性化處理，并利用最小二乘法對(duì)參數(shù)估計(jì)，得到表面粗糙的經(jīng)驗(yàn)公式為：

(2)

采用F檢驗(yàn)方法對(duì)式(2)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，得到表面粗糙度經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛽碛泻芨叩娘@著性。式(2)中砂輪線速度的指數(shù)為負(fù)，且其絕對(duì)值最大，故砂輪線速度的改變對(duì)表面粗糙度的影響最大，其增大將降低表面粗糙度。工件線速度對(duì)表面粗糙度的影響較小，提高工件線速度導(dǎo)致表面粗糙度增加。磨削深度的指數(shù)最小，雖然增大磨削深度使表面粗糙度整體呈增加趨勢(shì)，但表面粗糙度變化很小。這與圖3的分析結(jié)果相一致。

4.2 考慮砂輪粒度的表面粗糙度模型

為了便于分析，這里將砂輪粒度號(hào)轉(zhuǎn)換為磨粒直徑來(lái)進(jìn)行計(jì)算。采用基于控制篩孔尺寸的磨粒粒徑計(jì)算公式如式(3)所示。

da=28·M-1.1

(3)

式中，M為砂輪粒度號(hào)。經(jīng)計(jì)算得到砂輪粒度號(hào)與磨粒粒徑的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表3所示。

表3 粒度號(hào)與粒徑的關(guān)系

在式(2)的基礎(chǔ)上，采用與其相同的計(jì)算方法，得到同時(shí)考慮砂輪磨粒粒徑、砂輪線速度、工件線速度與磨削深度的表面粗糙度經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)模型如式(4)所示。

(4)

經(jīng)檢驗(yàn)式(4)有較高的顯著性。從式(4)可以看出，表面粗糙度隨磨粒粒徑的增大而增大，這與圖4的分析結(jié)果一致。由式(4)分析，影響表面粗糙度變化大小的順序?yàn)樯拜喚€速度、砂輪粒度、工件線速度、磨削深度。

5 預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)結(jié)果比較

為了進(jìn)一步分析驗(yàn)證表面粗糙度經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)能力及效果，這里將試驗(yàn)測(cè)量值與預(yù)測(cè)值進(jìn)行比較，結(jié)果見(jiàn)表4與圖5。其中表2試驗(yàn)序號(hào)按順序排在正交試驗(yàn)序號(hào)之后。

表4 表面粗糙度預(yù)測(cè)值與測(cè)量值

圖5 表面粗糙度預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)測(cè)量值比較

由表4可知，式(2)表面粗糙度預(yù)測(cè)值的相對(duì)誤差在0.76%～4.98%之間，最大相對(duì)誤差不超過(guò)5%；式(4)表面粗糙度預(yù)測(cè)值的相對(duì)誤差在0.36%～10.23%之間，僅第五組超過(guò)了10%。因此，表明式(2)與式(4)均有較高的預(yù)測(cè)精度與較強(qiáng)的預(yù)測(cè)能力。而式(4)考慮了更多的影響因素，具有比式(2)更可靠的預(yù)測(cè)結(jié)果。從圖5中亦能看到本文氮化硅陶瓷內(nèi)圓磨削表面粗糙度的經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)模型具有良好的預(yù)測(cè)效果。因此本文表面粗糙度經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)模型可為分析實(shí)際磨削氮化硅陶瓷加工表面質(zhì)量提供了一定的理論參考。

6 結(jié)論

本文進(jìn)行了氮化硅陶瓷內(nèi)圓磨削正交試驗(yàn)，依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析了砂輪線速度、工件線速度與磨削深度對(duì)氮化硅陶瓷內(nèi)圓磨削表面粗糙度的影響規(guī)律，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行砂輪粒度單一因素試驗(yàn)，研究了砂輪粒度對(duì)表面粗糙度的影響，并建立了表面粗糙度的經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)模型，得到如下結(jié)論：

(1)砂輪線速度是影響氮化硅陶瓷內(nèi)圓磨削表面粗糙度最大的因素，砂輪粒度的影響作用次之，工件線速度的影響效果較小，磨削深度引起的改變最小。選用粒度號(hào)較大的砂輪、提高砂輪線速度與減小工件線速度都能夠降低表面粗糙度，而磨削深度的增加整體上使表面粗糙度呈變大趨勢(shì)，但改變效果不明顯。

(2)通過(guò)正交試驗(yàn)分析可知，當(dāng)使用120#粒度砂輪磨削時(shí)，在砂輪線速度vs=51m/s，工件線速度vw=1200mm/min，磨削深度ap=4μm情況下，理論上可使加工表面有更低的表面粗糙度，更好的表面質(zhì)量，并利用砂輪粒度單一因素試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證。

(3)經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)模型具有較高的預(yù)測(cè)效果，本文中考慮砂輪粒度、砂輪線速度、工件線速度和磨削深度對(duì)表面粗糙度影響的預(yù)測(cè)模型的最大相對(duì)誤差為10.23%，能夠很好地根據(jù)磨削參數(shù)在加工前提前預(yù)測(cè)加工表面粗糙度，為實(shí)際加工合理選擇磨削參數(shù)提供了試驗(yàn)依據(jù)和參考。

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