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颗粒增强铝基复合材料磨削加工研究

放大字体  缩小字体发布日期:2012-04-17  浏览次数:715

李德溥

(哈尔滨商业大学轻工学院,哈尔滨150028)

摘要:使用电镀金刚石砂轮对颗粒增强铝基复合材料进行平面、孔和槽的磨削加工实验研究,目的是研究颗粒增强铝基复合材料磨削加工的效果.在平面加工中使用扫描电子显微镜分析加工表面的形貌,并使用粗糙度仪测量表面粗糙度.在孔和槽的加工中使用工具显微镜测量孔直径和槽的宽度.研究表明,对颗粒增强铝基复合材料进行磨削加工能够获得良好的加工质量,平面磨削的加工表面质量较高,在实验所采用的加工条件下表面粗糙度Ra在0.285~0.82μm之间;孔和槽加工的尺寸精度较高,并且没有出现崩边现象.

关键词:复合材料;平面磨削;孔槽磨削

中图分类号:TH162文献标识码:A文章编号:1672-0946(2011)02-0248-04

颗粒增强铝基复合材料具有优良的力学性能,但同时也是一种典型的难加工材料,难以对其进行后续加工是其大规模推广应用的主要障碍[1].目前,切削加工是颗粒增强铝基复合材料的主要加工方法,另外,对材料的激光加工、电火花加工等特种加工方法也进行了大量的研究.但是加工中仍然存在以下几个方面的问题[2-5].

1)切削加工中刀具磨损严重.PCD被认为是惟一适合加工颗粒增强铝基复合材料的刀具材料,但PCD刀具制造成本高,限制了它的应用.

2)缺少加工小直径孔和窄槽的合适刀具.PCD刀具虽然耐用,但制造小直径复杂形状刀具困难.另外,在孔和槽的切削加工中经常出现崩边现象,满足不了加工质量的要求.

3)电火花加工中电极磨损严重,并且加工表面热损伤较大,表面上存在铝基体的重铸层.

4)激光加工使零件加工表面产生热损伤,且只应用于切割加工和通孔加工,应用范围有限.磨削在陶瓷、金属材料加工中得到了广泛的使用,但在颗粒增强铝基复合材料加工中的应用研究较少.本文以电镀金刚石砂轮作为加工工具,对颗粒增强铝基复合材料的平面、孔和槽进行磨削加工.使用扫描电子显微镜观察平面磨削加工表面形貌,并使用粗糙度仪测量表面粗糙度,使用工具显微镜测量孔直径和槽宽度尺寸,并对孔和槽的形貌进行观察.

1·实验设计

采用SiC颗粒增强2024Al作为实验材料,其主要性能参数如表1所示.

平面加工中采用普通的平头圆柱砂轮.用于孔、槽加工的砂轮基体端面和圆周上分别加工四个窄槽,端面窄槽略偏离端面中心,端面窄槽与圆周面上窄槽相通.表2为实验使用砂轮参数.

2·平面磨削

2.1实验参数

表3为平面加工实验参数.

2.2加工结果

2.2.1表面形貌

图1为平面磨削加工表面形貌的SEM照片.可以发现,颗粒增强铝基复合材料已加工表面具有如下特点:

1)加工表面上有铝基体的塑性划痕,并且有铝基体被熨压现象.

2)加工表面有材料剖落形成的凹坑、增强颗粒脱落和断裂等缺陷.

3)颗粒与基体结合的界面在已加工表面形成过程中发生破坏.由于颗粒移动或被压入加工表面,在颗粒周围形成孔洞.

加工表面的形貌特点与材料本身特性和去除机理有关,在外载荷作用下增强颗粒承受更大的应力及增强颗粒本身的缺陷,使得增强颗粒在加工过程中产生破碎和脱落;裂纹的产生和扩展在加工表面形成过程中起到重要作用,在增强颗粒富集区和颗粒的尖角处应力集中更严重,在加工过程中容易产生裂纹并扩展,造成材料剖落形成非切出表面和界面脱黏;另外,在金刚石磨粒作用下增强颗粒会发生破碎、脱落、滑动等行为.

2.2.2表面粗糙度

保持主轴转速为6 000 r/min、进给速度为3 00mm/min不变,测量了在不同磨削深度下已加工表面的粗糙度值,如图2所示.可以看到,在实验所采用的加工参数下,表面粗糙度Ra在0.285~0.82μm之间.磨削深度在0.001~0.005 mm范围内时表面粗糙度的变化不大,而当磨削深度大于0.005mm之后表面粗糙度有较大的增加.

3·孔磨削加工

3.1影响孔加工质量因素

影响孔加工质量的因素主要有以下几个方面:

1)金刚石粒度

粒度小的金刚石砂轮容屑能力差,加工中极容易堵塞,造成轴向力过大,使孔的出口产生崩边,或者造成加工过程中砂轮杆折断.本文的实验中使用120#金刚石砂轮.

2)砂轮结构

砂轮的结构应该能保证顺畅地排出切屑,普通金刚石砂轮在加工孔时排出切屑的能力差,造成砂轮严重堵塞.使用端面与轴向开有窄槽的砂轮,有利于切屑及时排出.

3)砂轮的制造及修整精度

砂轮制造完成后,其径向跳动不能超过一定程度,否则在加工中产生较大的偏摆,造成孔的直径远大于砂轮直径,并且容易造成砂轮折断.

3.2加工结果

3.2.1孔直径尺寸

实验所加工孔的深度为6 mm,采用分次进给的加工方式,每次进给0.3 mm.用工具显微镜在两个垂直方向上测量孔入口和出口的直径,测量位置如图3所示.孔加工条件及直径测量值见表4(表中Dx为在图3中的x方向测量尺寸,Dy为在图3中的y方向测量尺寸).从表4中的数据可以看出,孔在2个互相垂直方向上的尺寸基本一致,入口和出口尺寸也基本一致.孔直径与砂轮直径存在一定的偏差,这是由于砂轮直径较小,在力的作用下产生一定挠度所致.

3.2.2孔形貌

孔的入口与出口形貌如图4所示,可以清楚地看出:磨削加工孔的入口和出口形状完好,没有出现崩边现象出现.

4·槽磨削加工

4.1影响槽加工质量因素

影响槽加工质量的因素主要有以下几个方面:

1)实验中使用的金刚石砂轮直径较小,在加工过程中受力会使其产生一个挠度,进而影响槽的尺寸精度.

2)砂轮的制造误差是影响加工精度的另一个因素.由于镀层厚度不均匀,在靠近边角处镀层厚度大,加工时砂轮有较大的偏摆,从而影响加工的尺寸精度.

4.2加工结果

4.2.1槽的形貌

图5为磨削加工槽的形貌,可以看出,磨削加工槽入口与出口没有发生崩边缺陷,槽的两个棱边也没有材料崩边现象.

4.2.2槽的宽度

表5为槽加工条件及入口和出口尺寸测量结果.从表5中的数据可以看出,在不同的加工条件下槽的宽度都大于砂轮直径.在主轴转速相同情况下,随着进给速度的增大,偏差增大.这主要是由于在不同的加工条件下砂轮受力大小不同造成的,加大进给速度都使磨削力增大,而大的磨削力会使砂轮轴产生更大的变形,导致槽宽发生误差.

5·结论

本文使用电镀金刚石砂轮对颗粒增强铝基复合材料进行平面、孔和槽的磨削加工实验,得出以下结论:

1)电镀金刚石砂轮磨削加工平面的表面质量较高,在本文实验条件下表面粗糙度Ra在0.285~0.82μm之间.

2)孔的直径略大于砂轮直径,孔直径在两个互相垂直方向上的基本一致.所加工孔的入口和出口没有缺陷.

3)槽的宽度大于砂轮直径,并且在相同主轴转速下,随着进给速度的提高,偏差有增大趋势.槽入口和出口处的崩边没有崩边,在槽的两个棱边也没有崩碎现象,保证了槽几何形状的完整.

参考文献:略

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