宋鈺，孟廣耀，高志陽(yáng)，沈毅松

青島理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院

1 引言

熔模精密鑄造具有尺寸精度高、鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、適用合金廣和批量靈活等特點(diǎn)，在生產(chǎn)制造高精度、復(fù)雜的結(jié)構(gòu)鑄件中有著不可替代的作用[1]。不銹鋼鑄件主要用于生產(chǎn)汽車制造中的各種零配件，因奧氏體不銹鋼可以耐受多種介質(zhì)的腐蝕，具有良好的綜合性能而得到較為廣泛的應(yīng)用。

在奧氏體不銹鋼鑄件的鑄造工藝過(guò)程中，后處理工序需要將不銹鋼鑄件從模組上磨削切割下來(lái)進(jìn)行表面打磨。磨切加工過(guò)程中，奧氏體不銹鋼存在磨削力大、加工溫度高、材料熱軟化后易黏附及加工硬化趨勢(shì)明顯等問(wèn)題，導(dǎo)致加工后不銹鋼鑄件的表面質(zhì)量較差、薄片砂輪的損耗嚴(yán)重，影響熔模精密鑄造行業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用仿真軟件或設(shè)計(jì)試驗(yàn)，對(duì)不銹鋼材料的磨削加工特性進(jìn)行了多方面研究。Wang Y.C.等[2]選擇CBN和SiC兩種類型的砂輪，利用三軸數(shù)控平面磨床對(duì)不銹鋼絲端部進(jìn)行磨削，對(duì)比分析加工過(guò)程中的磨削力和加工后的表面粗糙度，結(jié)果表明，CBN砂輪產(chǎn)生的磨削力較小。Zhou N.等[3]通過(guò)試驗(yàn)研究了磨粒粒度、潤(rùn)滑條件和磨削力對(duì)磨削DSS 2304不銹鋼表面完整性的影響，研究表明影響最為顯著的是磨粒粒度。馮燦波等[4]選用CBN砂輪對(duì)SUS 304奧氏體不銹鋼進(jìn)行超高速磨削試驗(yàn)，研究砂輪線速度、進(jìn)給速度和切削深度對(duì)磨削力和表面粗糙度的影響，得到超高速磨削不銹鋼材料的合理工藝參數(shù)。周里群等[5]利用矩形熱源模型和三角形熱源模型對(duì)磨削Cr18Mn18N奧氏體不銹鋼進(jìn)行有限元模擬，分析熱源模型和磨削深度對(duì)磨削溫度及熱應(yīng)力場(chǎng)的影響。

磨削切割加工不同于普通磨削，薄片砂輪的厚度尺寸很小(1～3mm)，材料的磨切厚度較大，且切削深度較大，可以達(dá)到切斷材料的效果，目前關(guān)于薄片砂輪磨切加工不銹鋼材料的研究相對(duì)較少。在生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，磨切角度對(duì)薄片砂輪磨切奧氏體不銹鋼鑄件的過(guò)程影響較為明顯，目前熔模精密鑄造行業(yè)的自動(dòng)化水平不高，關(guān)于磨切角度的理論試驗(yàn)研究很少。

分析磨切角度改變時(shí)薄片砂輪磨切奧氏體不銹鋼鑄件的過(guò)程，并對(duì)磨切加工過(guò)程進(jìn)行建模，建立磨切角度與當(dāng)量磨削厚度和接觸弧長(zhǎng)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。搭建試驗(yàn)平臺(tái)，設(shè)計(jì)單因素試驗(yàn)，對(duì)比研究磨切角度、線速度和進(jìn)給速度對(duì)磨切奧氏體不銹鋼鑄件時(shí)磨削力和表面質(zhì)量的影響，為生產(chǎn)實(shí)踐中采用合理的工藝參數(shù)提供參考。

2 磨切幾何特性分析

2.1 當(dāng)量磨削厚度

磨削切割屬于磨削加工。國(guó)際生產(chǎn)工程研究會(huì)(CIRP)提出：用當(dāng)量磨削厚度作為基礎(chǔ)參數(shù)，通過(guò)當(dāng)量磨削厚度可以建立關(guān)鍵工藝參數(shù)與磨削力、表面加工質(zhì)量等物理量之間的關(guān)系。

當(dāng)量磨削厚度aeq表示在砂輪單位寬度上與工件接觸長(zhǎng)度范圍內(nèi)，同時(shí)參加磨削加工的各個(gè)磨粒磨切下的切屑截面積所集合成的一個(gè)假想截面積厚度[6]。磨切角度為0°≤φ<45°的磨切過(guò)程見(jiàn)圖1，由薄片砂輪開(kāi)始磨切到切斷鑄件的過(guò)程中，可得到薄片砂輪經(jīng)過(guò)的理論總位移為

圖1 磨切角度為0°≤φ<45°時(shí)的磨切過(guò)程

(1)

式中，L為不銹鋼鑄件磨切位置的截面尺寸(mm)。

磨切過(guò)程的總用時(shí)為

(2)

根據(jù)單位磨切時(shí)間內(nèi)薄片砂輪去除工件材料的體積相等，可得

(3)

式中，B為薄片砂輪的厚度尺寸(mm)。

磨切角度為0°≤φ<45°時(shí)，當(dāng)量磨削厚度aeq的理論計(jì)算公式為

(4)

當(dāng)磨切角度為45°≤φ<90°時(shí)的磨切過(guò)程見(jiàn)圖2，同理可得整個(gè)磨切過(guò)程的總用時(shí)為

圖2 磨切角度為45°≤φ<90°時(shí)的磨切過(guò)程

(5)

此時(shí)，當(dāng)量磨削厚度aeq的理論計(jì)算公式為

(6)

磨削比為工件材料的磨除量與砂輪磨損量的比值，可反映薄片砂輪的磨損情況和工件材料的去除能力。國(guó)際生產(chǎn)工程研究會(huì)(CIRP)根據(jù)磨削試驗(yàn)得：磨削比與當(dāng)量磨削厚度aeq成正比關(guān)系。且當(dāng)量磨削厚度aeq與法向磨削力和切向磨削力之間也成正比關(guān)系。為了直觀分析磨切角度φ與當(dāng)量磨削厚度的變化趨勢(shì)，利用MATLAB軟件得到當(dāng)量磨削厚度隨磨切角度改變的變化趨勢(shì)(見(jiàn)圖3)。

圖3 當(dāng)量磨削厚度的變化趨勢(shì)

可以看出，隨著磨切角度的增大，當(dāng)量磨削厚度呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢(shì)。此外，根據(jù)推導(dǎo)得到的當(dāng)量磨削厚度理論計(jì)算公式可知，增大薄片砂輪的線速度V及減小進(jìn)給速度f(wàn)可以減小當(dāng)量磨削厚度。

2.2 接觸弧長(zhǎng)

磨切過(guò)程中，薄片砂輪與工件間的接觸弧長(zhǎng)也是研究磨切機(jī)理的一項(xiàng)重要參數(shù)。接觸弧長(zhǎng)分為幾何接觸弧長(zhǎng)、運(yùn)動(dòng)接觸弧長(zhǎng)和實(shí)際接觸弧長(zhǎng)。實(shí)際接觸弧長(zhǎng)需要考慮磨切過(guò)程中薄片砂輪和鑄件材料的變形等，在此不做深入研究。磨切角度φ=0°時(shí)，接觸弧長(zhǎng)計(jì)算理論見(jiàn)圖4。

(a)切入階段

按照磨切的過(guò)程，分為切入、過(guò)渡及切出三個(gè)階段，對(duì)三個(gè)階段分別進(jìn)行接觸弧長(zhǎng)計(jì)算。設(shè)磨切過(guò)程開(kāi)始的時(shí)間為0，切入階段結(jié)束的時(shí)刻為t1，過(guò)渡階段結(jié)束的時(shí)刻為t2，切出階段結(jié)束的時(shí)刻為t3。 由圖4a可知，切入階段結(jié)束的時(shí)刻t1為

(7)

式中，R為薄片砂輪的半徑(mm)；ΔS1為切入階段薄片砂輪經(jīng)過(guò)的位移(mm)。

由圖4b可知，過(guò)渡階段結(jié)束的時(shí)刻t2為

(8)

式中，Δt2為過(guò)渡階段薄片砂輪經(jīng)過(guò)的時(shí)間(s)。

由圖4c可知，切出過(guò)程結(jié)束的時(shí)刻t3為

(9)

磨切角度φ=0°時(shí)的接觸弧長(zhǎng)計(jì)算公式為

(10)

在切入階段0≤t

(11)

則切入階段的接觸弧長(zhǎng)l1為

(12)

當(dāng)t1≤t

(13)

當(dāng)t2≤t

(14)

同理，對(duì)磨切角度分別為0°<φ≤45°和45°<φ<90°時(shí)的接觸弧長(zhǎng)按照切入、過(guò)渡及切出三個(gè)階段進(jìn)行理論分析建模，得到磨切角度不同時(shí)的磨切過(guò)程接觸弧長(zhǎng)理論計(jì)算公式匯總(見(jiàn)表1)。

表1 不同磨切角度的接觸弧長(zhǎng)計(jì)算公式

當(dāng)鑄件截面尺寸L=16mm，薄片砂輪的半徑R=75mm，進(jìn)給速度f(wàn)=30mm/min時(shí)，利用MATLAB軟件得到接觸弧長(zhǎng)隨磨切角度改變時(shí)的變化趨勢(shì)曲線圖(見(jiàn)圖5)。可以看出，磨切過(guò)程中切入階段的接觸弧長(zhǎng)隨時(shí)間逐漸增大，過(guò)渡階段的接觸弧長(zhǎng)基本保持不變，切出階段的接觸弧長(zhǎng)隨時(shí)間的增大不斷減小。當(dāng)磨切角度增大時(shí)，過(guò)渡階段比較穩(wěn)定的接觸弧長(zhǎng)值呈先增大后減小的變化趨勢(shì)。

圖5 接觸弧長(zhǎng)的變化趨勢(shì)

3 磨切試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 試驗(yàn)設(shè)備

在FANUC MV- 80立式加工中心上完成試驗(yàn)，加工中心的最大加工范圍是1500mm×820mm×700mm。使用大連理工大學(xué)自主設(shè)計(jì)研發(fā)的YDX-Ⅲ9702壓電式三向測(cè)力儀測(cè)量薄片砂輪磨切不銹鋼鑄件時(shí)的磨削力，磨削力的測(cè)力系統(tǒng)裝置見(jiàn)圖6。采用TIME 3230粗糙度儀對(duì)磨切加工后不銹鋼工件的表面進(jìn)行粗糙度測(cè)量，與PC聯(lián)機(jī)后可以進(jìn)行更復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析與評(píng)估。

圖6 磨削力測(cè)量系統(tǒng)

3.2 試驗(yàn)材料

使用不同磨料的薄片砂輪進(jìn)行試切后，選擇白剛玉磨料的薄片砂輪進(jìn)行試驗(yàn)研究，參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)用薄片砂輪的參數(shù)

鑄件的材料為SUS 304，尺寸為16mm×16mm×40mm。SUS 304的化學(xué)成分見(jiàn)表3[7]。

表3 SUS 304材料的化學(xué)成分 (%)

3.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以磨切角度φ、薄片砂輪線速度V和進(jìn)給速度f(wàn)為變量進(jìn)行單因素對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)表4。

表4 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 磨切參數(shù)對(duì)磨削力的影響特征

薄片砂輪磨切角度的改變對(duì)磨切過(guò)程中磨削力的影響見(jiàn)圖7。當(dāng)磨切角度增大時(shí)，不銹鋼鑄件的磨切總用時(shí)增加，單位時(shí)間內(nèi)薄片砂輪去除鑄件材料的體積減小，當(dāng)量磨削厚度值變小，同時(shí)磨切過(guò)程中薄片砂輪與鑄件磨切表面接觸的弧長(zhǎng)變大，即單位時(shí)間內(nèi)參與磨切工作的磨粒數(shù)量增多，所以磨切產(chǎn)生的總磨削力減少。當(dāng)磨切角度增至40°后，磨切過(guò)程的總用時(shí)變小，薄片砂輪的當(dāng)量磨削厚度變大，與鑄件的接觸弧長(zhǎng)減小，造成薄片砂輪的材料去除率增加，參與磨切過(guò)程的磨粒數(shù)量減少，導(dǎo)致磨削力增大。

圖7 磨切角度改變對(duì)磨削力的影響

薄片砂輪在磨切奧氏體不銹鋼材料的鑄件時(shí)，薄片砂輪的線速度V對(duì)磨切過(guò)程中法向磨削力和切向磨削力的影響曲線見(jiàn)圖8。可以看出，在磨切不銹鋼鑄件的過(guò)程中，法向磨削力Fn和切向磨削力Ft隨著薄片砂輪線速度V的增大整體均呈減小的趨勢(shì)。當(dāng)進(jìn)給速度f(wàn)和磨切角度φ保持一定時(shí)，提高薄片砂輪的線速度V，單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)過(guò)鑄件磨切表面的薄片砂輪外圓周面和端棱上的磨粒數(shù)量增加，當(dāng)量磨削厚度aeq減小(即切屑厚度減小、截面積變小)，因此無(wú)論是法向磨削力還是切向磨削力均隨線速度的提高而減小。

圖8 薄片砂輪的線速度對(duì)磨削力的影響

由圖8還可以發(fā)現(xiàn)，磨切加工不銹鋼鑄件時(shí)的法向磨削力Fn比切向磨削力Ft隨薄片砂輪線速度的提高而減小的趨勢(shì)更明顯。這是因?yàn)楫?dāng)薄片砂輪的線速度提高時(shí)，由于奧氏體不銹鋼的物理化學(xué)性質(zhì)，去除工件材料的主要磨削力由法向磨削力轉(zhuǎn)變?yōu)榍邢蚰ハ髁?。在較高的線速度加工條件下對(duì)鑄件進(jìn)行磨切，由于材料的塑性較好，磨切過(guò)程中溫度和力的綜合作用使不銹鋼材料發(fā)生熱軟化現(xiàn)象，導(dǎo)致法向磨削力變小，而切向磨削力因奧氏體不銹鋼材料的去除變難而增大，在此綜合作用下，法向力隨線速度增加的下降趨勢(shì)并不明顯。

薄片砂輪在磨切加工奧氏體不銹鋼鑄件時(shí)，進(jìn)給速度f(wàn)的改變對(duì)磨切過(guò)程中法向磨削力Fn和切向磨削力Ft的影響曲線見(jiàn)圖9。可知，在磨切加工過(guò)程中，隨著薄片砂輪進(jìn)給速度的增大，磨切產(chǎn)生的法向磨削力和切向磨削力總體均呈增大趨勢(shì)。一方面，當(dāng)薄片砂輪的線速度V和磨切角度φ保持不變時(shí)，增大進(jìn)給速度，磨切過(guò)程的總用時(shí)減小，則單位時(shí)間內(nèi)薄片砂輪的鑄件材料去除率變大，導(dǎo)致磨削力增大；另一方面，根據(jù)當(dāng)量磨削厚度的理論計(jì)算公式可知，增大薄片砂輪的進(jìn)給速度，當(dāng)量磨削厚度增大，進(jìn)而導(dǎo)致切向磨削力和法向磨削力增大。

圖9 薄片砂輪的進(jìn)給速度對(duì)磨削力的影響

4.2 磨切參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響特征

當(dāng)薄片砂輪線速度和進(jìn)給速度保持一定時(shí)，鑄件磨切表面的粗糙度隨磨切角度變化的趨勢(shì)見(jiàn)圖10。

圖10 磨切角度對(duì)表面粗糙度的影響

可以看出，隨著磨切角度的增大，奧氏體不銹鋼鑄件的表面粗糙度呈先減小后增大的變化趨勢(shì)。當(dāng)磨切角度開(kāi)始增大時(shí)，磨切過(guò)程的總切斷用時(shí)增加，當(dāng)量磨削厚度值減小，磨粒磨除鑄件材料后形成的劃痕變小，磨切后鑄件的表面粗糙度減小。當(dāng)磨切角度增至40°后，總切斷用時(shí)減少，單位時(shí)間內(nèi)的工件材料磨除率增大，當(dāng)量磨削厚度增大，造成表面粗糙度值增大。

當(dāng)薄片砂輪以相同的進(jìn)給速度f(wàn)、磨切角度φ和不同的線速度磨切加工奧氏體不銹鋼鑄件時(shí)，得到的鑄件磨切表面粗糙度變化見(jiàn)圖11。

圖11 線速度對(duì)表面粗糙度的影響

可以看出，隨著薄片砂輪線速度的提高，加工后磨切表面的粗糙度呈先減小后增大的變化趨勢(shì)。當(dāng)薄片砂輪的線速度提高時(shí)，當(dāng)量磨削厚度減小，磨粒產(chǎn)生的劃痕變細(xì)變淺，表面粗糙度值下降。當(dāng)薄片砂輪的線速度提高到V=16.49m/s時(shí)，磨削比減小，磨切過(guò)程中產(chǎn)生的熱量增多，磨切區(qū)域的溫度升高，不銹鋼材料在高溫下的熱軟化現(xiàn)象導(dǎo)致磨粒劃過(guò)時(shí)易黏附在其它磨粒上，磨粒離開(kāi)時(shí)引起材料表層的撕裂，且較高的溫度造成鑄件表面燒傷，表面形貌變得雜亂，表面粗糙度值增大。

圖12為當(dāng)薄片砂輪的線速度和磨切角度保持不變時(shí)，磨切加工奧氏體不銹鋼鑄件后表面粗糙度隨不同進(jìn)給速度的變化趨勢(shì)?？梢钥闯觯?dāng)薄片砂輪的進(jìn)給速度增大時(shí)，磨切表面的粗糙度值增大。這是因?yàn)檫M(jìn)給速度增大，當(dāng)量磨削厚度增大，單位時(shí)間內(nèi)磨除的鑄件材料體積變大，磨切過(guò)程中產(chǎn)生的熱量積聚在磨切區(qū)域，導(dǎo)致表面涂覆增多，表面粗糙度值增大。當(dāng)進(jìn)給速度f(wàn)>45mm/min時(shí)，其增大會(huì)使磨切時(shí)間減少，排屑速度提高，薄片砂輪與鑄件之間高溫區(qū)的接觸時(shí)間減小，磨切過(guò)程產(chǎn)生的熱量可及時(shí)排出加工區(qū)域，得到的表面粗糙度值減小。

圖12 進(jìn)給速度對(duì)表面粗糙度的影響

5 結(jié)語(yǔ)

分析了薄片砂輪磨切奧氏體不銹鋼材料鑄件的過(guò)程，推導(dǎo)并建立了當(dāng)量磨削厚度和接觸弧長(zhǎng)兩個(gè)基礎(chǔ)參數(shù)的理論計(jì)算公式。磨切角度改變時(shí)，利用MATLAB軟件繪制當(dāng)量磨削厚度和接觸弧長(zhǎng)的變化趨勢(shì)曲線。進(jìn)行單因素試驗(yàn)，研究比較了磨切角度、薄片砂輪的線速度和進(jìn)給速度對(duì)磨削力和表面質(zhì)量的影響。

(1)磨切角度增大時(shí)，當(dāng)量磨削厚度值呈先減小后增大的變化趨勢(shì)，磨切角度為40°時(shí)的當(dāng)量磨削厚度值最小。當(dāng)磨切角度增大時(shí)，過(guò)渡階段的接觸弧長(zhǎng)呈先增大后減小的變化趨勢(shì)。

(2)試驗(yàn)表明，薄片砂輪以40°的角度磨切加工不銹鋼鑄件時(shí)的磨削力相對(duì)最小。在研究范圍內(nèi)，增大薄片砂輪的線速度和減小進(jìn)給速度，有利于減小磨削力。

(3)對(duì)比三個(gè)磨切因素對(duì)加工后表面質(zhì)量的影響，改變磨切角度對(duì)于提高表面質(zhì)量的效果較為明顯。磨切角度增大時(shí)，表面粗糙度值呈先減小后增大的變化趨勢(shì)，當(dāng)磨切角度為40°時(shí)，粗糙度值相對(duì)較低。在研究范圍內(nèi)，提高薄片砂輪的線速度可以提高鑄件磨切后的表面質(zhì)量，但線速度過(guò)高時(shí)磨削比減小，加工溫度升高導(dǎo)致表面質(zhì)量變差。進(jìn)給速度提高到f=45mm/min后，增大進(jìn)給速度，加工表面粗糙度值減小。