關(guān)佳亮 戚澤海 路文文 孫曉楠 張 妤 胡志遠(yuǎn)

(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)

SiC材料因具有硬度高、強(qiáng)度大、高比剛度、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，因此通常用其加工制造航天用輕量級反射鏡[1-2]。正因?yàn)镾iC材料優(yōu)良的性能使普通磨削過程中砂輪極易磨損，磨削效率低，加工表面質(zhì)量差，達(dá)不到所要求的納米級加工精度。目前國內(nèi)外諸多學(xué)者針對SiC材料的成型和表面光整加工難題主要進(jìn)行了ELID磨削、超聲振動(dòng)輔助磨削、研磨拋光及復(fù)合加工等不同方式的研究。如肖強(qiáng)[3]通過ELID磨削技術(shù)采用W3.5粒度鑄鐵基金剛石砂輪對SiC進(jìn)行磨削試驗(yàn)得到較好的表面質(zhì)量但加工效率較低。劉立飛[1]及高峰[4]等采用超聲振動(dòng)輔助磨削加工技術(shù)對SiC材料進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明材料去除效率高但加工表面質(zhì)量仍達(dá)不到納米級加工精度要求。范鏑[5]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，得到了納米級精度的加工表面。本實(shí)驗(yàn)室前期采用超聲振動(dòng)輔助磨削加工技術(shù)對航天用輕量級SiC反射鏡進(jìn)行工藝試驗(yàn)研究，結(jié)果表明磨削效率高，表面質(zhì)量較好，但未深入研究其材料的去除機(jī)理和存在的缺陷以及沒有講述如何進(jìn)一步加工以改善表面粗糙度。因此本文針對前期超聲振動(dòng)輔助磨削SiC反射鏡存在的不足進(jìn)行研究，探究超聲振動(dòng)輔助磨削SiC反射鏡的去除機(jī)理和存在的缺陷，并通過采用拋光技術(shù)探究優(yōu)化最佳工藝參數(shù)從而進(jìn)一步提高SiC反射鏡的加工表面質(zhì)量。

1 SiC反射鏡的超聲振動(dòng)輔助磨削試驗(yàn)

1.1 超聲振動(dòng)輔助磨削原理

超聲振動(dòng)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(dòng)，利用超聲波振動(dòng)和砂輪磨削的復(fù)合作用來形成加工表面[6-7]。本文采用的超聲振動(dòng)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(dòng)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(dòng)，進(jìn)而通過變幅桿將機(jī)械振動(dòng)放大至0～20 μm帶動(dòng)砂輪上下高頻微振動(dòng)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(dòng)磨削加工。

1.2 超聲振動(dòng)輔助磨削試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次所加工直徑175 mm的SiC反射鏡坯料為常壓燒結(jié)而成，如圖2所示。由于SiC材料硬度高且強(qiáng)度大，以及在磨削過程中粉末吸附性較強(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值增大。因此本文選擇如圖3所示的彈性好、耐沖擊、自銳性較好的樹脂基金剛石杯型砂輪，在DMG US-125P超聲銑磨加工中心上進(jìn)行試驗(yàn)[8]。在本實(shí)驗(yàn)室對SiC反射鏡已有研究基礎(chǔ)上試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及工藝參數(shù)選擇如表1所示。

表1 超聲振動(dòng)輔助磨削試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

工序工藝方法工藝參數(shù)超聲振幅/μm進(jìn)給速度/(mm/min)砂輪轉(zhuǎn)速/(r/min)磨削深度/μm目的工序1半精磨(240#粒度樹脂基金剛石杯型砂輪)151006 00010以較高的磨削效率去除工件余量工序2精磨(W20粒度樹脂基金剛石杯型砂輪)5806 0004獲得較好的表面質(zhì)量

1.3 超聲振動(dòng)輔助磨削試驗(yàn)結(jié)果及去除機(jī)理分析

用表1的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案對SiC反射鏡樣件進(jìn)行超聲振動(dòng)輔助磨削加工后，經(jīng)TR300粗糙度形狀檢測儀對其表面檢測可得121 nm的表面粗糙度，并用S-3400NⅡ型掃描電子顯微鏡檢測其磨削后的微觀形貌，探究超聲振動(dòng)輔助磨削加工SiC材料的去除機(jī)理及存在的缺陷。經(jīng)SEM分析結(jié)果表明,SiC材料的主要去除方式為脆性斷裂去除和塑性劃擦耕犁去除相間的復(fù)合型去除。

1.3.1 脆性斷裂去除

粗粒度樹脂基金剛石砂輪超聲振動(dòng)輔助磨削SiC材料的實(shí)質(zhì)就是硬度較SiC高的金剛石磨粒在垂直工件表面方向上存在著一個(gè)附加的高頻振動(dòng)，這個(gè)振動(dòng)對工件表面的敲擊作用使SiC顆粒更容易發(fā)生脆性斷裂形成破碎凹坑。由圖4a中240#粒度樹脂基金剛石砂輪磨削后的微觀形貌圖可知SiC材料主要以脆性斷裂去除為主[9]。其中圖4a中圓圈A、B、C所示的區(qū)域?yàn)榻饎偸w粒對SiC進(jìn)行高頻沖擊從而產(chǎn)生了沿晶斷裂，繼而被后續(xù)的金剛石顆粒磨削整體去除剝落形成微空洞及凹坑。由圖4a圓圈D可見在所示的區(qū)域凹坑內(nèi)存在著許多破碎的微小SiC碎屑，這是因?yàn)榻饎偸w粒對大顆粒的SiC進(jìn)行高頻沖擊從而產(chǎn)生了穿晶斷裂，繼整個(gè)SiC顆粒穿晶斷裂成微小的SiC碎屑存在于破碎凹坑內(nèi)。

1.3.2 塑性劃擦耕犁去除

在磨削深度為4 μm的條件下，用W20細(xì)粒度樹脂基金剛石杯型砂輪超聲振動(dòng)輔助磨削加工SiC所得到的微觀形貌如圖4b所示。由圖4b可知SiC材料的去除方式存在著塑性劃擦耕犁去除，如圓圈A、B所示的區(qū)域?yàn)樵谛〉哪ハ魃疃认耂iC產(chǎn)生了脆-塑轉(zhuǎn)變，局部產(chǎn)生塑性變形，出現(xiàn)劃擦犁溝現(xiàn)象[10]。但在圖4b圓圈C區(qū)域仍然存在著金剛石顆粒對SiC進(jìn)行高頻沖擊產(chǎn)生的脆性斷裂去除而產(chǎn)生的凹坑。

經(jīng)過分析240#粒度及W20粒度樹脂基金剛石杯型砂輪超聲振動(dòng)輔助磨削加工SiC所得到的微觀形貌可知，240#粒度金剛石砂輪磨削SiC材料的主要去除方式為脆性斷裂去除，基本沒有塑性劃擦耕犁去除。而W20粒度金剛石砂輪磨削SiC材料的去除方式為脆性斷裂去除及小部分的塑性劃擦耕犁去除，但因仍存在大量的脆性斷裂凹坑及塑性耕犁留下的溝痕等缺陷影響著SiC表面粗糙度。為進(jìn)一步改善SiC超聲振動(dòng)輔助磨削加工后的表面缺陷，對超聲振動(dòng)輔助磨削加工后的工件進(jìn)行拋光試驗(yàn)探究各工藝參數(shù)對其表面粗糙度的影響規(guī)律及最優(yōu)工藝參數(shù)。

2 SiC的拋光工藝優(yōu)化試驗(yàn)

2.1 SiC拋光試驗(yàn)因素水平的確定

本試驗(yàn)采用的拋光試驗(yàn)裝置為無架行星式雙面拋光機(jī)，其工作原理如圖5所示。SiC樣件固定在上下鑄鐵拋光盤之間，同時(shí)對上拋光盤施加一恒定的壓力，在拋光盤的高速旋轉(zhuǎn)下從而使SiC工件與上、下兩個(gè)聚氨酯拋光墊、拋光液及拋光液中的金剛石微粉充分接觸，實(shí)現(xiàn)工件的均勻拋光[11]。

在無架行星式雙面拋光機(jī)上對影響表面粗糙度的A(拋光壓力)、B(拋光盤轉(zhuǎn)速)、C(拋光液磨粒粒度)及D(拋光時(shí)間)四因素進(jìn)行正交試驗(yàn)，各試驗(yàn)因素在已有實(shí)驗(yàn)室研究基礎(chǔ)上均取4個(gè)水平,四因素四水平表如表2所示。

表2 四因素四水平編碼表

水平因素A拋光壓力/kPaB拋光盤轉(zhuǎn)速/(r/min)C拋光液粒度/μmD拋光時(shí)間/h1101000.50.52202001.513303002.51.544040052

2.2 試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)

選擇四因素四水平正交試驗(yàn)表 L16(44)來進(jìn)行試驗(yàn)[12]，在每一組工藝參數(shù)下分別進(jìn)行3次拋光試驗(yàn)后用TR300粗糙度形狀檢測儀測量SiC表面粗糙度值然后求平均值，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表及測量結(jié)果如表3所示。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

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

表3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表及測量結(jié)果

水平因素拋光壓力/kPa拋光盤轉(zhuǎn)速/(r/min)拋光液粒度/μm拋光時(shí)間/h表面粗糙/nm1101000.50.5402102001.51353103002.51.53141040052285201001.51.5276202000.522072030050.5398204002.51219301002.5227103020051.53711303000.511612304001.50.5231340100513414402002.50.52615403001.521916404000.51.515

只考慮拋光壓力在A1、A2、A3、A4四水平下對表面粗糙度指標(biāo)而言，四組試驗(yàn)的試驗(yàn)條件是完全一樣的(綜合可比性)。但經(jīng)計(jì)算得RA1、RA2、RA3、RA4不相等，因此表明拋光壓力的大小對試驗(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>RA2>RA3>RA4，因此RA1、RA2、RA3、RA4中的小者所表示的A4(40 kPa)為拋光壓力的優(yōu)水平。同理，通過計(jì)算可得表4所示的正交試驗(yàn)分析結(jié)果，由表4可知B4(拋光盤轉(zhuǎn)速為400 r/min)、C1(拋光液粒度為0.5 μm)、D4(拋光時(shí)間為2 h)分別為拋光盤轉(zhuǎn)速、拋光液粒度、拋光時(shí)間的優(yōu)水平。4個(gè)因素的優(yōu)水平組合A4B4C1D4是本試驗(yàn)以表面粗糙度為指標(biāo)的最優(yōu)水平組合，即對SiC工件拋光的最優(yōu)工藝參數(shù)為拋光壓力40 kPa，拋光盤轉(zhuǎn)速400 r/min，拋光液粒度0.5 μm，拋光時(shí)間2 h。

表4 正交試驗(yàn)分析結(jié)果 nm

2.3.2 各試驗(yàn)因素對表面粗糙度的影響規(guī)律

為研究各因素對表面粗糙度值的影響規(guī)律，將表4正交試驗(yàn)分析結(jié)果中各因素水平的平均值K1～K4作為縱坐標(biāo)，各因素水平為橫坐標(biāo)作出如圖6所示的各試驗(yàn)因素對表面粗糙度的影響規(guī)律。

由圖6a、b、d可知SiC拋光表面粗糙度值隨著拋光壓力、拋光盤轉(zhuǎn)速和拋光時(shí)間的增大而減小，但顯然在拋光壓力由10 kPa增大到20 kPa及拋光時(shí)間由0.5 h增大到1 h時(shí)表面粗糙度值出現(xiàn)大幅度減小，而表面粗糙度值隨拋光盤轉(zhuǎn)速的增大而均勻減小。由圖6c可知表面粗糙度值隨著拋光液磨粒粒度的增大而呈現(xiàn)增大趨勢，但顯然當(dāng)拋光液磨粒粒度由W0.5增大到W2.5時(shí)表面粗糙度值增大的比較緩慢，而當(dāng)增大到W5時(shí)表面粗糙度值突增。這是因?yàn)樵趻伖鈮毫Φ淖饔孟码S著磨粒粒度的增大，大顆粒的金剛石磨粒對SiC工件進(jìn)行了劃擦耕犁及脆性斷裂去除從而增大了表面粗糙度值。

2.4 最優(yōu)工藝參數(shù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果分析

通過正交試驗(yàn)得到對SiC工件拋光的最優(yōu)工藝參數(shù)為拋光壓力40 kPa，拋光盤轉(zhuǎn)速400 r/min，拋光液磨粒粒度0.5 μm，拋光時(shí)間2 h。在此最佳工藝參數(shù)的基礎(chǔ)上對超聲振動(dòng)輔助磨削加工后的工件進(jìn)行拋光得到21 nm的表面粗糙度，SiC拋光后的微觀表面形貌及檢測表面粗糙度值如圖7所示。由圖7a中SiC拋光微觀表面形貌相比于圖4b中W20粒度金剛石砂輪超聲振動(dòng)輔助磨削SiC材料微觀形貌而言可知超聲振動(dòng)輔助磨削存在的大量塑性劃擦耕犁溝痕及脆性斷裂凹坑等缺陷經(jīng)拋光后均已得到改善，只是在工件表面小部分留有磨粒耕犁去除的微小紋路，從而得到較好的表面質(zhì)量。

3 結(jié)語

(1)樹脂基金剛石砂輪超聲振動(dòng)輔助磨削SiC的去除機(jī)理主要為脆性斷裂去除和塑性劃擦耕犁去除相間的復(fù)合型去除，但仍存在大量的脆性斷裂凹坑及塑性耕犁留下的溝痕等缺陷影響著SiC表面粗糙度。

(2)通過對SiC工件進(jìn)行拋光試驗(yàn)得到各拋光工藝參數(shù)對表面粗糙度的影響規(guī)律為：表面粗糙度值隨著拋光壓力、拋光盤轉(zhuǎn)速和拋光時(shí)間的增大而減小，隨著拋光液磨粒粒度的增大而增大。

(3)通過正交試驗(yàn)得到對SiC工件拋光的最優(yōu)工藝參數(shù)為拋光壓力40 kPa，拋光盤轉(zhuǎn)速400 r/min，拋光液磨粒粒度0.5 μm，拋光時(shí)間2 h。在此最佳工藝參數(shù)的基礎(chǔ)上對超聲振動(dòng)輔助磨削加工后的工件進(jìn)行拋光得到表面粗糙度為21 nm的加工表面。

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