耿淼 都金光

摘要：C/SiC復(fù)合材料是一種高強(qiáng)度，高韌性，輕質(zhì)，良好的抗疲勞性和減震性，設(shè)計(jì)性強(qiáng)的先進(jìn)材料。目前被廣泛應(yīng)用于航空，航天，和其他軍事領(lǐng)域，并具有廣泛的應(yīng)用前景。由于C/SiC復(fù)合材料加工過(guò)程中加工缺陷多、刀具磨損嚴(yán)重、加工效率低且加工成本高等問(wèn)題，本文通過(guò)錐形工具磨削加工C/SiC實(shí)驗(yàn)來(lái)研究不同加工參數(shù)對(duì)磨削力的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果通過(guò)方差分析，信噪比和主效應(yīng)圖來(lái)評(píng)價(jià);基于望小模型獲得了本次實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)的最佳加工參數(shù)：主軸轉(zhuǎn)速為4500r/min，進(jìn)給速度為100mm/min，磨削深度為0.2mm。

Abstract： C/SiC composite material is an advanced material with high strength， high toughness， light weight， good fatigue resistance and shock absorption， and strong design. At present， it is widely used in aviation， aerospace， and other military fields， and has a wide range of application prospects. Since the processing of C/SiC composites is often accompanied by fiber break-out， chipping， burrs， tearing and delamination and other defects， as well as serious tool wear， low processing efficiency and high processing costs， this paper uses tapered tool grinding Cutting C/SiC experiment to study the influence of different processing parameters on grinding force. The experimental results are evaluated through analysis of variance， signal-to-noise ratio and main effect diagram; based on the characteristics of the small model， the best processing parameters within the parameters of this experiment are obtained： spindle speed is 4500r/min， feed speed is 100mm/min， the grinding depth is 0.2mm.

關(guān)鍵詞：C/SiC復(fù)合材料;磨削力;方差分析;主效應(yīng)

Key words： C/SiC composites;cutting force;variance analysis;main effect

中圖分類(lèi)號(hào)：TH16? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）16-0104-03

0? 引言

C/SiC復(fù)合材料是一種具有高強(qiáng)度、高韌性、輕質(zhì)、耐高溫及耐磨等一系列優(yōu)良的性能，可以大面積整體成型的新型高級(jí)材料，具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，C/SiC復(fù)合材料加工過(guò)程中常常伴隨著纖維斷裂-拔出、崩邊、毛刺、撕裂和分層等缺陷及刀具磨損嚴(yán)重、加工效率低且加工成本高等問(wèn)題。

對(duì)于C/SiC復(fù)合材料來(lái)說(shuō)，磨削加工可以有效地減少加工缺陷，并提高加工后表面質(zhì)量[1]。磨削力是磨削加工中最基本的輸出信號(hào)，幾乎從根本上影響了所有磨削現(xiàn)象[2]。磨削力是磨削加工的一個(gè)非常重要指標(biāo)，它對(duì)刀具磨損，加工精度和加工后表面都有重要的影響。磨削力常常被用來(lái)評(píng)價(jià)砂輪或磨粒切削刃磨削狀態(tài)[2-3]。對(duì)磨削力的研究可以提高對(duì)材料去除機(jī)制的認(rèn)識(shí)，并對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用提供有益的建議與指導(dǎo)。對(duì)于加工后的表面質(zhì)量，選擇合適的磨削深度和偏轉(zhuǎn)角可以獲得更好的效果[4]。Liu等[5]研究了磨削力，比磨削能量，表面形態(tài)，表面粗糙度和磨屑對(duì)磨削參數(shù)的影響。Choudhary等[6]研究了高速磨削引起的缺陷，發(fā)現(xiàn)將磨削速度從40m/s增加到200m/s可以減少60%的缺陷。

本文使用錐形刀具對(duì)C/SiC復(fù)合材料進(jìn)行磨削加工實(shí)驗(yàn)，主要分析主軸轉(zhuǎn)速、磨削深度和進(jìn)給速度對(duì)磨削力的影響。實(shí)驗(yàn)方法是通過(guò)田口法來(lái)設(shè)計(jì)的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以通過(guò)方差分析、信噪比、主效應(yīng)來(lái)評(píng)價(jià)。

1? 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料為二維C/SiC陶瓷基復(fù)合材料，其結(jié)構(gòu)是由90°纖維與0°纖維順序?qū)盈B而成。密度為1.7g/cm3，試件長(zhǎng)200mm，寬14mm，厚9mm。

1.2 加工工具

實(shí)驗(yàn)所用的刀具為電鍍金剛石錐形工具。刀具基體材料選用45鋼，并進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。由于C/SiC硬度較高，磨料使用金剛石，磨粒粒度為80 #。錐形工具刀柄長(zhǎng)80mm，錐度為60°，圓錐底面直徑為12mm。

1.3 實(shí)驗(yàn)機(jī)床

實(shí)驗(yàn)機(jī)床為法道（FADAL）有限公司生產(chǎn)的VMC4020C數(shù)控機(jī)床。機(jī)床工作臺(tái)行程為：1016mm×508mm×711mm;主軸轉(zhuǎn)速范圍為：0-7000rpm;主軸額定功率為：15kW;X、Y、Z軸的最大進(jìn)給量為：20m/min。

1.4 切削力測(cè)量

切削力測(cè)量系統(tǒng)主要包括測(cè)力儀、電荷放大器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、采集及數(shù)據(jù)處理軟件DynoWare。切削力的采集過(guò)程中不考慮溫度和振動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)的影響。

所用的測(cè)力儀型號(hào)為Kistler 9257B通用型固定式多分量測(cè)力儀。電荷放大器型號(hào)為Kistler 5080A，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一端連接電荷放大器，另一端連接計(jì)算機(jī)，使用系統(tǒng)自帶的Dynaware軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集預(yù)處理，所有記錄的數(shù)據(jù)都傳輸?shù)絺€(gè)人計(jì)算機(jī)內(nèi)。切削力檢測(cè)系統(tǒng)如圖 1所示。

2? 實(shí)驗(yàn)方法與設(shè)計(jì)

田口法被廣泛用于研究加工參數(shù)及其相互作用對(duì)加工特性的影響。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法的目的是從最少的實(shí)驗(yàn)中獲得最有效的信息量。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中常常使用田口法來(lái)改善產(chǎn)品特性或制造工藝。田口法主要使用正交陣列實(shí)驗(yàn)和信噪比（S/N）進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。正交陣列實(shí)驗(yàn)同時(shí)包含容納多個(gè)設(shè)計(jì)因素，并且每個(gè)因素都可以獨(dú)立于其他因素進(jìn)行評(píng)估，田口方法是一種低成本、高效益的質(zhì)量工程方法。信噪比是一種定量分析方法;它用來(lái)比較所需信號(hào)的電平與背景噪聲的電平。信噪比有三種不同的質(zhì)量特征模型：望小模型，望大模型和名義較好的模型。在本研究中，希望加工過(guò)程中的切削力最小，即選擇望小模型。

望小模型信噪比（SN）定義：

（1）

y1，y2…yn為重復(fù)n次實(shí)驗(yàn)的輸出觀(guān)測(cè)值。

在C/SiC復(fù)合材料的實(shí)驗(yàn)加工中，很多因素都會(huì)影響工件的加工特性，包括刀具材質(zhì)、幾何形狀尺寸和加工方式。本文主要分析加工參數(shù)：主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度和切削深度對(duì)切削力的影響。實(shí)驗(yàn)采用錐形工具磨削加工C/SiC斜面，加工參數(shù)范圍可根據(jù)文獻(xiàn)[7]確定。因此，按照田口實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法構(gòu)造三因素四水平L16（43）實(shí)驗(yàn)表。（表1）

3? 結(jié)果分析

錐形工具加工C/SiC復(fù)合材料產(chǎn)生的的磨削力如表2所示。

3.1 方差分析

方差分析法可以區(qū)分因素水平變動(dòng)引起的數(shù)據(jù)波動(dòng)同試驗(yàn)誤差引起的數(shù)據(jù)波動(dòng)，本文通過(guò)方差分析法研究了不同輸入?yún)?shù)對(duì)磨削力影響的重要性。表 3為自由度、偏差平方和、平均偏差平方和及貢獻(xiàn)度的統(tǒng)計(jì)量結(jié)果。

無(wú)論是主軸轉(zhuǎn)速，進(jìn)給速度和磨削深度，統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)量分別為41.74、42.51和45.2，均大于F0.05，3，9=3.86，由此可知：主軸速度、進(jìn)給速度和磨削深度在95%置信度區(qū)間內(nèi)對(duì)磨削力均有顯著影響。為了量化每個(gè)輸入?yún)?shù)的影響，同時(shí)計(jì)算了主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度和磨削深度的百分比，其結(jié)果分別為32.09%、32.40%和34.74%。由此可以看出，這三個(gè)因素對(duì)磨削力的影響都是顯著的，主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度對(duì)磨削力的影響差別不大，而磨削深度對(duì)磨削力的影響最大。

3.2 信噪比分析

對(duì)于磨削力的數(shù)值，我們希望越小越好。本文采用望小模型對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理。不同水平的加工參數(shù)對(duì)輸出值的影響使用信噪比來(lái)分析特性，其中信號(hào)代表理想值，而噪聲代表不良值?；诒?2，計(jì)算出對(duì)應(yīng)于每個(gè)因素的不同水平的信噪比均值表（表 4）。

表 4中數(shù)值為各因素對(duì)應(yīng)水平的信噪比的平均值。Delta為S/N的極差值。極差值反映因子的重要程度，極差值越大表明該因素對(duì)輸出值的影響越大，極差值越小表明該因素的改變對(duì)指標(biāo)的影響越小。由表 4可以看出，磨削深度對(duì)磨削力的影響最大，進(jìn)給速度次之，主軸轉(zhuǎn)速對(duì)磨削力的影響最小。不同水平的均值主效應(yīng)圖和信噪比主效應(yīng)圖（圖 2）用于評(píng)估輸出結(jié)果的優(yōu)越性。當(dāng)加工參數(shù)從低水平到高水平變化時(shí)，信噪比值隨之變化。根據(jù)望小模型，信噪比均值越高，則性能指標(biāo)越好。由此，磨削力最小時(shí)的最佳加工參數(shù)選擇為：A4B1C1，即主軸轉(zhuǎn)速為4500r/min，進(jìn)給速度為100mm/min，磨削深度為0.2mm。

3.3 最小磨削力的估算

經(jīng)過(guò)方差分析和信噪比分析后獲得的最佳加工參數(shù)組合為A4B1C1，并由此組合計(jì)算最小磨削力。

（2）

式中：？濁為最佳加工參數(shù)下的信噪比;■為主軸轉(zhuǎn)速（A）在4水平下的信噪比均值;■為進(jìn)給速度（B）在1水平下的信噪比均值;■為磨削深度（C）在1水平下的;■為所有數(shù)據(jù)的信噪比均值。

經(jīng)過(guò)計(jì)算后獲得的？濁=-9.97。

結(jié)合式（1）計(jì)算得最小磨削力為3.15 N。

4? 結(jié)論

本文研究使用錐形工具對(duì)C/SiC復(fù)合材料進(jìn)行磨削加工實(shí)驗(yàn)。使用田口法對(duì)不同加工參數(shù)對(duì)C/SiC工件的磨削力的影響進(jìn)行分析。根據(jù)方差分析，信噪比分析得到結(jié)論：磨削深度對(duì)磨削力的影響最大，進(jìn)給速度次之，主軸轉(zhuǎn)速對(duì)磨削力的影響最小?；谕∧Ｐ瞳@得了最優(yōu)加工參數(shù)組合：主軸轉(zhuǎn)速為4500r/min，進(jìn)給速度為100mm/min，磨削深度為0.2mm;并計(jì)算出該加工參數(shù)組合下的最小磨削力為3.15N。

參考文獻(xiàn)：

[1]L Zhang， L Cheng. Discussion on strategies of sustainable development of continuous fiber reinforced ceramic matrix composites[J]. Acta Materiae Compositae Sinica， 2007， 24（2）： 1-6.

[2]塚本真也，大橋一仁，藤原貴典著.姚鵬，姚文昊譯.磨削加工技術(shù)難點(diǎn)與測(cè)量技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2018：1.

[3]任敬心，華定安.磨削原理[M].北京：電子工業(yè)出版社， 2011.

[4]S.S Qu， Y.D. Gong， Y.Y. Yang， X.L. Wen， G.Q. Yin. Grinding characteristics and removal mechanisms of unidirectional carbon fibre reinforced silicon carbide ceramic matrix composites， Ceramics International[J]， 2019， 45（3）： 3059-3071.

[5]Q. Liu， G.Q. Huang， X. Xu， C.F. Fang， C.C. Cui. A study on the surface grinding of 2D C/SiC composites[J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2017， 93（5-8）： 1595-1603.

[6]A. Choudhary， N.D Chakladar， S. Paul. Identification and estimation of defects in high-speed ground C/SiC ceramic matrix composites[J]. Composite Structures， 2020： 113274.

[7]張海振.交叉螺旋槽工具磨削C/SiC復(fù)合材料加工性能研究[D].鄭州：鄭州輕工業(yè)大學(xué)，2020.