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碳化硅陶瓷超声振动磨削表面质量研究

许陆昕  
【摘要】:以碳化硅为材料的反射镜正不断应用于各种光学系统中。然而碳化硅陶瓷在磨削时存在着磨削力较大、表面粗糙度较高、磨削效率与表面质量难以提升等问题,在使用小直径砂轮磨削碳化硅光学曲面和内孔时表面质量问题更为严重。超声振动磨削将普通磨削与超声加工相结合,是一种非常适合用于硬脆材料加工的复合磨削技术,可以有效的降低磨削力,提高材料去除率,降低表面粗糙度,提高磨削表面质量。本文针对碳化硅陶瓷磨削时存在的问题,进行了碳化硅陶瓷超声振动磨削表面质量的研究,主要的工作内容与结论如下:(1)分析了小直径砂轮的磨削过程,在此基础上提出了小直径砂轮线速度小、磨粒与工件接触长度小导致单颗磨粒最大磨削厚度大;有效磨粒数少导致磨粒划痕的重叠度减少,残留材料体积大;砂轮接长杆较细长导致系统刚性差、磨削过程不平稳从而磨削效率与质量难以提高这一问题。进行了超声振动磨削的运动学分析,研究了超声振动磨削的表面创成机理,结果发现超声振动磨削非常适合应用于小直径砂轮的磨削。(2)进行了小直径砂轮碳化硅陶瓷超声振动磨削和普通磨削的对比试验。研究分析了主要工艺参数对磨削表面质量的影响。结果表明,与普通磨削相比,超声振动磨削的磨粒轨迹相互交叉叠加,工件表面形貌更加均匀,表面质量更高;超声振动磨削降低了磨削力,抑制了系统的低频振动,提高了系统的刚性,使磨削过程更加稳定,提高了表面质量。超声振动磨削的磨削力随砂轮线速度和超声振幅的增加而降低,随工件进给速度和磨削深度的减小而降低;表面粗糙度随磨削用量和超声振幅变化的规律与磨削力相同。在砂轮线速度v_s=1.88~15.07m/s,工件进给速度v_w=375~3000mm/min,磨削深度a_p=0.005~0.035mm,超声振幅A=0.5~4.6μm范围内,超声振动磨削能够降低垂直于磨削方向的表面粗糙度R_a=2.0%~33.8%,能够降低法向磨削力1.9%~30.8%,切向磨削力1.6%~22.1%。在砂轮线速度v_s=15.07m/s,工件进给速度v_w=1000mm/min,磨削深度a_p=0.01mm,超声振幅A=4.6μm时超声振动磨削能得到最低的表面粗糙度R_a=0.25μm。砂轮线速度、工件进给速度较低时,超声振动磨削的效果更加明显。(3)采用超声振动磨削碳化硅陶瓷,能够在不提高砂轮线速度的情况下得到较低的磨削力和表面粗糙度,获得较高的表面质量;而在同样的磨削力与表面粗糙度要求下,超声振动磨削可以选用更高的工件进给速度与磨削深度,从而提高磨削效率,因此,超声振动磨削可以有效地解决小直径砂轮磨削碳化硅时存在的问题。


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