碳化硅(SiC)陶瓷材料具有高硬度、高耐磨性、耐腐蝕、耐高溫、密度低和導熱性好等優良性能，廣泛應用于航空航天、機械制造、汽車零部件和國防軍工等領域。目前，利用金剛石砂輪磨削加工碳化硅是應用較為廣泛的一種加工方法，國內磨削加工主要進行小磨削深度的試驗研究，加工效率較低。王健等對亞磨削面損傷檢測方法進行了深入研究，采用電鍍金剛石砂輪進行反應燒結碳化硅磨削試驗，其進給速度為100mm/min、磨削深度為0.05mm。結果表明，角度拋光法和(he)截面顯(xian)微觀測法可對(dui)磨(mo)削亞表面損傷進(jin)行(xing)(xing)精確直觀的(de)(de)檢測；賀(he)勇等研(yan)(yan)究了單顆(ke)金(jin)剛(gang)石磨(mo)粒(li)磨(mo)削SiC的(de)(de)磨(mo)削力(li)變(bian)化(hua)，其(qi)工作(zuo)臺速度為25m/min，磨(mo)削深(shen)度最(zui)大為40μm，結果表明磨(mo)粒(li)頂(ding)錐(zhui)角對(dui)磨(mo)削力(li)有明顯(xian)影響，磨(mo)削力(li)隨(sui)角度的(de)(de)增(zeng)(zeng)大而增(zeng)(zeng)大；姚(yao)旺等采用金(jin)剛(gang)石砂輪對(dui)反(fan)應燒結碳化(hua)硅進(jin)行(xing)(xing)了磨(mo)削研(yan)(yan)究，分析了其(qi)材料去(qu)除機理(li)主(zhu)要為脆(cui)性(xing)斷裂去(qu)除，局部材料去(qu)除方式為塑性(xing)切(qie)除。

　　本文采用金剛石砂輪對碳化硅陶瓷進行端面磨削正交試驗研究，試驗參數選用低進給速度和大磨削深度，探究了不同磨削參數對磨削力和磨削面質量的影響規律，分析了磨削表面的損傷形式，進一步驗證了碳化硅陶瓷磨削加工材料去除機理，對碳化硅磨削加工具有一定的參考意義。

　　1  試驗條件

　　試驗機床為BV75立式加工中心，其主要性能參數見表1。

表1  BV75立式加工中心性能參數

　　試驗選用樹脂結合劑金剛石砂輪(見圖1)，砂輪直徑60mm，寬度35mm，粒度80目。利用砂輪端面進行平面磨削，工作臺進給方向為X負方向(見圖2)。試驗材料為反應燒結碳化硅，尺寸96mm×56mm×15mm，材料力學性能見表2。

表2  碳化硅力學性能

　　試驗主要探究磨削過程中磨削力的變化及砂輪轉速n、砂輪進給速度v、磨削深度ap對磨削表面質量的影響，正交試驗因素水平選取見表3。SiC陶瓷正交磨削試驗結果見表4。

圖1  金剛石砂輪

圖(tu)2  磨削示(shi)意圖(tu)

表3  SiC陶瓷磨削正交試驗因素水平表

表4  正交試驗直觀分析表

　　2  試驗結果與分析

　　(1)磨削力

　　圖3a是磨削力隨砂輪轉速的變化曲線。由圖可知，隨著砂輪轉速的增加，磨削力總體變化趨勢增大，這是因為采用平面磨削法，當轉速較高時，砂輪柄所受的預緊力對砂輪轉動的平穩性影響較大，砂輪端面在Z方向產生波動，導致磨削力增大。圖3b和圖3c分別為磨削力隨進給速度和磨削深度的變化曲線。由圖可知，磨削力隨進給速度和磨削深度的增大而增大，這是由于當進給速度和磨削深度增大時，砂輪磨粒對碳化硅材料的摩擦磨損作用增強，故磨削力增大。

　　對比圖3a、圖3b和圖3c可以看出，Y方向的磨削力大于其它兩個方向的磨削力。分析不同方向磨削力產生的原因，單顆磨粒在某一時刻的運動速度可以分解為沿X方向的速度和沿Y方向的速度，X方向的速度等于進給速度，Y方向的速度等于這一點的線速度。由于試驗采用的進給速度較小，砂輪作高速轉動，Y向速度遠遠大于X向速度，Y向的摩擦磨損作用強于X向摩擦磨損作用，故Y向磨削力大于X向磨削力。Z向磨削力主要由砂輪在Z向上的振動產生，由于砂輪運動方式主要為在X-Y平面內的進給運動，在Z向上的振幅較小，故磨削力較小。

(a)

(b)

(c)

圖3  磨削力(li)隨磨削參數變化曲線

　　(2)表面粗糙度

　　圖4a是表面粗糙度隨砂輪轉速的變化曲線。由圖可知，當轉速為7000r/min時，磨削表面粗糙度遠大于5000r/min和6000r/min，粗糙度隨砂輪轉速的增大而增大，磨削表面有清晰的砂輪磨粒磨痕。因為試驗采用砂輪端面磨削方法，砂輪柄預緊力對砂輪在X-Y平面內的旋轉平穩性有很大影響，當轉速達到7000r/min時，高速旋轉使砂輪的不穩定性增加，單顆磨粒在磨削表面摩擦材料時的縱向振幅較大，因而磨削表面砂輪顆粒磨痕顯著增多，表面粗糙度增大。

　　圖4b是表面粗糙度隨進給速度的變化曲線。由圖可知，進給速度為4mm/min和5mm/min時，磨削表面粗糙度變化符合經驗規律，呈增大趨勢；當進給速度較小時，進給速度對粗糙度的影響不大，可選用較大進給速度，保證磨削加工效率。當進給速度為3mm/min時，磨削表面粗糙度值較大，由表4第7組試驗可知，粗糙度為2.708μm，這是由于高轉速下的砂輪預緊力影響作用顯著，砂輪在高轉速下平穩性降低，單顆磨粒在磨削表面運動時縱向振幅增大，使得表面粗糙度較大。

　　圖4c是表面粗糙度隨磨削深度的變化曲線。由圖可知，磨削表面粗糙度隨磨削深度的增大而增大。

　　在進給量一定時，當磨削深度增加，材料單位時間去除體積增大，材料去除不充分，使磨削表面在材料脆性斷裂后的殘余應力增加，故表面粗糙度增大。

(a)

(b)

(c)

圖4  表面粗糙度(du)隨磨削參數變化曲線

　　(3)磨削加工損傷

　　圖5是采用掃描電子顯微鏡放大5000倍后的磨削表面，可以觀察到不同類型的磨削表面特征。圖5a和圖5b中均有面積較大的脆性斷裂，說明碳化硅陶瓷材料磨削加工的材料去除形式主要為脆性斷裂去除。從圖5a中可以觀察到因為磨削熱而產生材料“熔覆”現象，其上有砂輪磨粒摩擦留下的劃痕，顏色較深的黑色區域為材料固有的原始孔洞缺陷。從圖5b中可以觀察到磨削過程中產生的裂紋。觀察與磨削面垂直的側表面上邊緣，有肉眼可見的“崩邊”損傷。“崩邊”是陶瓷加工中常見的損傷，主要是因為在磨削過程中，裂紋向材料邊緣擴展導致材料斷裂去除。

　　圖6是材料“崩邊”損傷的微觀形貌。從圖中可以看出，“崩邊”損傷的實質是材料的塊狀崩碎；圖6b為碳化硅“崩邊”損傷的微觀形貌，可以看出，“崩邊”損傷也是由于材料的脆性斷裂去除造成的。

(a)                                   (b)

圖5  磨削面微觀形貌(5000×)

(a)                     ;                (b)

圖6  “崩邊”損傷微觀(guan)形貌

　　在碳化硅陶瓷材料磨削加工中，材料去除的主要形式是脆性去除。當材料所受磨粒平均載荷超過其臨界切削載荷時，會出現橫向裂紋和徑向裂紋現象。隨著橫向裂紋的擴展，材料發生脆性斷裂，最終以塊狀剝落的形式去除。在磨削加工過程中，材料去除還伴隨著塑性變形。這是因為在磨削過程中，磨粒與材料發生劇烈摩擦與擠壓，同時產生大量的熱量，當磨粒對材料平均載荷低于碳化硅臨界切削載荷時，材料將發生塑性變形。

　　小結

　　在現有研究基礎上，采用大磨削深度對碳化硅進行磨削正交試驗研究，進一步驗證了磨削加工材料去除機理，探究了不同磨削參數對磨削力和磨削表面粗糙度的影響。試驗結果表明：

　　(1)金剛石砂輪磨削碳化硅陶瓷時，材料去除形式主要是裂紋擴展造成的材料脆性斷裂去除，在磨削載荷小于材料臨界切削載荷時，材料會發生塑性變形。

　　(2)磨削表面的損傷形式主要有徑向裂紋、橫向裂紋和高溫熔覆；垂直磨削面的側面會出現“崩邊”損傷。

　　(3)在采用小進給速度和大磨削深度磨削時，當砂輪轉速較大，砂輪預緊力對磨削力和磨削面粗糙度的影響顯著，在轉速較高的條件下，預緊力的影響大于砂輪轉速和進給速度的影響。

　　(4)大磨削深度可以獲得較好的磨削表面質量。對比不同參數對磨削結果的影響，當砂輪轉速5000r/min、進給速度5mm/min、磨削深度2mm時，磨削表面質量最好。

原載(zai)《工具技(ji)術(shu)》  作者(zhe)：劉謙