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    SUS304不锈钢ELID镜面磨削正交化实验研究.pdf

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    SUS304不锈钢ELID镜面磨削正交化实验研究.pdf

    2013 年第 32 卷4 月第 4 期机械科学与技术Mechanical Science and Technology for Aerospace EngineeringAprilVol.322013No.4收稿日期 2012-02-27作者简介 刘林枝 1978 - , 讲师 , 博士 , 研究方向为精密加工与控制 , lewisirune163. com刘林枝SUS304 不锈钢 ELID 镜面磨削正交化实验研究刘林枝1,21湖南大学 , 国家高效磨削工程技术研究中心 , 长沙 410082;2湖南机电职业技术学院 , 长沙 410151摘 要 SUS304 不锈钢具有高耐腐耐磨性和良好的综合性能而被广泛应用,但其高韧性和低导热性使传统的 SUS304 不锈钢磨削或车削工艺存在一定困难。在线电解修整 ELID Electrolytic in-process dressing磨削技术能有效地用于 SUS304 不锈钢镜面磨削加工。本文主要对 SUS304 不锈钢进行ELID镜面磨削正交化实验研究以获得合理的工艺参数。首先利用325 砂轮进行7 个影响因素2 水平的正交磨削实验,获得初步的优化参数,然后利用1200 砂轮进行3 个影响因素2 水平的正交镜面磨削实验。通过改变削件砂轮转速、X 和Y 平台移动速度、进给率和ELID 电源件等各种磨削条件,获得优化后的磨削工艺参数,进行了相应的磨削验证,并讨论了工艺参数对磨削特性的影响。研究了不同砂轮磨粒对表面粗糙度的影响,使用8000 金刚石砂轮对SUS304 不锈钢镜面磨削,获得表面粗糙度Ra3. 6 nm。关 键 词 ELID磨削;SUS304;不锈钢;正交实验;镜面磨削中图分类号 TG58 文献标识码 A 文章编号 1003-8728 2013 04-0506-04Orthogonal Experiment of ELID Mirror Grindingfor SUS304 Stainless SteelLiu Linzhi1, 21Hunan Universtiy, National Engineering Research Center for High Efficiency Grinding, Changsha 410082;2Hunan Mechanical and Electrical Polytechnic, Changsha 410151Abstract SUS340 stainless steel is widely used because of high corrosion resistance, wear resistance and combinationproperty. The high toughness and low thermal conductivity make SUS304 stainless steel difficult to be ground or lathed inconventional machining. ELID Electrolytic in-process dressing grinding technique is an effective grinding process formirror grinding SUS304 stainless steel. In order to botain optimized grinding parameters for ELID grinding SUS304 stain-less steel, orthogonal grinding experiment with seven factors and two levels using 325 grinding wheel and with three fac-tors and two levels using 1200 grinding wheel were conducted. Through changing rotation speed of grinding wheel,speeds of X and Y tables, feed rate and ELID conditions, the influence of grinding parameters on the grinding character-istics were discussed. ELID mirror grinding of SUS304 stainless steel plane was conducted using various grain sizes, andsurface roughness of 3.6 nm in Rawas achieved using 8000 grinding wheel.Key words ELID grinding; SUS304; stainless steel; orthogonal experiment; mirror grinding随着经济生产的快速发展 , 高质量的家电 、配件及机械设备已成为目前生活生产的必需品 。由于具有耐腐蚀 、耐磨 、耐热和优良的综合性能 , SUS304 不锈钢已成为目前广泛应用的一种重要的成型产品和设备零件材料 。随着其需求量的增大 , 其加工精度及加工效率的要求也愈来愈高[ 1]。目前 SUS304 不锈钢表面加工主要包括车削 、磨削和抛光 。由于 SUS304 不锈钢韧性大 、导热系数低 、弹性模量低等特点 , 其加工存在一定的困难[ 2]。车削时 , 由于不锈钢导热系数低和较强的金第 4 期 刘林枝 SUS304 不锈钢 ELID 镜面磨削正交化实验研究属亲和性 , 车刀易黏刀 , 切削力大 , 切削温度高 , 造成材料加工硬化和刀具易磨损 。磨削时 , 磨屑容易黏附砂轮 , 使砂轮堵塞 ; 切削阻力大 , 磨削温度高 , 容易烧伤加工表面[ 3]并导致磨削表面产生加工硬化[ 4]。此外 , 微细磨粒砂轮无法保持自我修整修锐能力[ 5]。因此 , 提高 SUS304 不锈钢的磨削质量与效率已非常迫切 。在线电解修整修 ELID 磨削技术在砂轮自我修锐方面具有很大的潜力 , 能使磨削工件具有更好的表面粗糙度 , 并减少亚表面损[ 6 ~8]。通过 SUS304 不锈钢的 ELID 镜面磨削正交优化实验 , 研究各种磨削条件对不锈钢工件表面质量的影响 ,包括砂轮磨粒大小 , 转速 , 平台速度 , 进给率和 ELID 电源等条件 , 从而获得合理的磨削工艺参数 。1 ELID 镜面磨削工艺及准备ELID 镜面磨削如图 1 所示 。ELID 磨削系统安装在三轴平面磨床上 , 分辨率为 1 μm。砂轮轴与ELID 电源的正极连接 , 负电极安装在砂轮表面附近 。砂轮相对工件进行旋转和进给 , ELID 电解磨削液供应到负极与砂轮之间的小间隙 。在线电解修锐时 , 由于阳极电解作用 , 砂轮表面上的结合材料溶解 , 露出新的磨粒 ; 同时生成的表面氧化膜将阻止砂轮表面过度电解 。随着 ELID 在线电解修锐循环进行 , 砂轮始终保持最佳磨削状态 。图 1 ELID 镜面磨削示意图ELID 镜面磨削工艺的优化过程 首先在普通ELID 平面磨床上利用 325 砂轮通过不同工艺参数的变化进行正交磨削实验 , 通过实验分析以获得初步的优化参数 , 然后进一步利用 1200 微粉砂轮进行镜面磨削 , 实验分析后获得优化参数并进行相应的验证 。最后利用 1200, 2000, 4000 这 3 种微细砂轮在精密端面磨床上进行 ELID 精密磨削实验 ,以探讨不同砂轮磨粒对表面粗糙度的影响规律 。实验装置平台如图 2 所示 。使用 325 铸铁结合剂金刚石砂轮和 1200 树脂金属基砂轮进行磨削实验 , 砂轮的直径为 200 mm。砂轮和电极之间的间隙为 0. 3 mm, ELID 电源的电流形式为脉冲矩形 , 脉冲时间 2/2 μs。峰值电流分别为 2 A、5 A, 开路电压分别为 60 V、90 V。工件为 15 mm 的圆形SUS304 不 锈 钢 块 。X 平 台 的 进 给 速 度 为355 mm/min ~824 mm/min、Y 平台的进给速度为71 mm/min ~ 208 mm/min。砂 轮 转 速 分 别 为700 r/min、900 r/min、1200 r/min。磨削后的不锈钢表面采用白光干涉仪进行测量 。图 2 ELID 镜面磨削装置2 正交磨削实验结果与讨论2. 1 325 砂轮正交磨削为了获得合理的磨削工艺参数 , 首先利用 325砂轮对 SUS304 不锈钢进行平面正交磨削试验 。正交实验条件设计如表 1 所示 。表 1 325 砂轮正交条件与结果No切深d/mm砂轮转速n/ rmin-1X 平台速度V1/ mmmin-1Y 平台速度V2/ mmmin-1电流I/A电压V/V表面粗糙度 Ra/μm形状精度 PV/μm1 1 700 355 140 2 60 0. 494 7. 7862 1 1200 824 208 5 60 0. 451 7. 7193 3 700 824 208 2 90 0. 890 10. 1764 3 1200 355 140 5 90 0. 505 8. 940K10. 472 5 0. 692 0. 500 0. 500 0. 692 0. 472K20. 697 5 0. 478 0. 671 0. 671 0. 478 0. 6975 1 1200 355 140 5 60 0. 471 8. 3116 2 1200 824 71 5 90 0. 364 9. 061705机械科学与技术 第 32 卷选择 7 个工艺参数 影响因子 的两组不同值 2 水平 切削深度分别为 1 μm、3 μm, 砂轮转速分别为 700 r/min、1 200 r/min, X 平台移动速度分别为 355 mm/min、824 mm/min, Y 平台移动速度分别为 104 mm/min、208 mm/min 等 。利用上述设定参数进行四组交磨削实验 。磨削后的表面粗糙度 Ra和形状精度 PV 通过选取磨削面上不同的 3 个点进行测量并平均处理后得到 , 结果如表 1 所示 。本文中主要通过研究合理的磨削工艺参数而获得光滑镜面 , 即以表面粗糙最小为优化标准进行工艺参数的选择 , 因此 , 选择表面粗糙度 Ra结果值进行正交试验分析 。K1为相应影响因子在水平 1 低水平 时的两组表面粗糙度的平均值 。例如表 1 中的 “切深d”对应的 K1值表示在切深为 1 mm 时两个表面粗糙度值的平均值 0. 494 0. 451 /2 0. 4725K2则为相应影响因子在水平 2 高水平 时两组表面粗糙度的平均值 。同样如表 1 中的 “切深 d”对应的 K2值表示在切深为 3 mm 时两个表面粗糙度值的平均值 0. 890 0. 505 /2 0. 697 5依此类推 , 可计算出不同影响因子在不同水平时的 K1, K2值 , 也即平均粗糙度值 。将 K1, K2进行比较 ,选择较低值的水平 较低的表面粗糙度 为磨削后优化的影响因子 , 即表 1 中的加粗的值 。选择 No.5 为优化工艺参数 , 进行验证磨削实验 , 获得的表面粗糙度 Ra为 0.471 μm。根据 No.2 和 No. 5 的结果进行分析比较 , 将 X 和 Y 平台移动速度进一步优化到 824 mm/min和 71 mm/min, ELID 电压优化为 90 V。通过 No.6 的工艺参数进行实验 , 得到如图 3 所示的表面粗糙度 Ra0.364 μm, 形状精度 PV 9.06 μm。ELID 预修锐一段时间 , 砂轮表面形成的氧化膜达到一定厚度 , 促使电解作用保持平衡 , 从而使ELID 电流较小 、电压较高 , 并保持稳定 。当镜面磨削开始时 , 因砂轮表面生成的氧化膜被去除而变薄 ,电解作用增强 , 使 LID 电流增大 、电压降低 , 并随着磨削的进行将逐渐恢复稳定 。利用 325 砂轮进行简单的正交磨削试验获得的优化工艺参数能够为后续的磨削提供方便 。结果还表明 , 提高砂轮转速能够提高工件表面粗糙度 , 主要是因为砂轮转速的增加 , 使砂轮在单位时间内单位区域内与工件的接触次数增加 , 使磨粒更好地磨削工件表面 。砂轮速度越高 , 表面金属塑性变形的传播速度大于切削速度 ,工件材料来不及变形 , 致使表层金属的塑性变形减小 , 磨削表面粗糙度值也将减小 。图 3 325 砂轮磨削 SUS304 不锈钢的表面粗糙度2. 2 1200 砂轮正交磨削为进一步分析不锈钢磨削工艺参数 , 利用 1200 砂轮进行正交镜面磨削实验 , 正交条件如表 2 所示 。部分工艺参数 切深为 2 μm, 砂轮转速为 1 000 r/min, Y工作台速度为 71 mm/min。设计 3 个影响因子和两个水平值 X 工作台的移动速度分别为 824 mm/min、1 178 mm/min, ELID 电源峰值电流分别为 2 A、5 A; 断路电压分别为 60 V、90 V。利用 1200 砂轮进行 4 组SUS304 不锈钢材料的正交磨削实验 , 表面粗糙度和形状精度同样通过测量磨削面上不同的 3 个点并取平均值获得 。类似表 1 处理方法 , 选择表面粗糙度 Ra结果值分析表 2 所示的正交试验结果 。K3为对应影响因子在水平 1 低水平 时的两组表面粗糙度的平均值 。K4则为对应影响因子在水平 2 高水平 时两组表面粗糙度的平均值 。将 K3, K4进行比较 , 选择较低值的水平为磨削后优化的影响因子 , 即表 2 中的加粗的值 。选择 No.11 为工艺优化参数 , 并进行磨削验证 , 获得如图4 所示的表面粗糙度 Ra0.079 μm, 形状精度 PV2.7 μm。表 2 1200 砂轮正交条件与结果NoX 速度 V3/ mmmin-1电流I/A电压V/V表面粗糙度 Ra/μm形状精度PV/μm7 824 5 90 0. 093 2.4178 824 2 60 0. 108 2.6999 1178 5 60 0. 091 2.64210 1178 2 90 0. 097 2.522K30. 100 0. 102 0. 099K40. 094 0. 092 0. 09511 1178 5 90 0. 079 2.765从实验结果可知 , 当砂轮转速从 700 r/min 提高到 1 178 r/min 时 , ELID 电源的电流变小 , 电压增加 , 主要是因为砂轮转速的提高 , 在单位时间内与工件磨削次数增加 , 砂轮表面氧化膜的损耗加快 , 因此使 LID 在线电解修锐循环中电解效果削弱和氧化膜变薄 。使用 1200 砂轮进行正交磨削试验后 , 可以805第 4 期 刘林枝 SUS304 不锈钢 ELID 镜面磨削正交化实验研究得到工艺优化参数 。结果还表明 , 磨削 SUS304 不锈钢时 , 表面粗糙度将会随电压 、电流的提高而得到改善 。图 4 1200 砂轮磨削 SUS304 不锈钢的表面粗糙度3 微粉砂轮对不锈钢镜面磨削的影响为了研究微细砂轮磨削 SUS304 不锈钢时表面粗糙度的影响规律 , 在另一台分辨率为 0. 1 μm 的精密端面磨床上进行 ELID 镜面磨削 。磨削实验示意图如 5 所示 , SUS304 不锈钢工件装在工件轴上 , 杯型砂轮与工件同时旋转 , 砂轮磨粒层厚度为 5 mm。采用 1200、4000 和 8000 杯型微粉砂轮分别进行交叉端面镜面磨削 。电解修锐的间隙为 3 mm, 脉冲时间为 2 μs, 电流为 5 A, 电压为 60 V。砂轮转速为1 000 r/min, 工 件 转 速 为 200 r/min, 进 给 率为 1 μm/min。图 5 端面磨削示意图镜面磨削结果如图 6 所示 , 随着砂轮磨粒粒径的变化 , 表面粗糙度 Ra和 Ry具有相似的趋势变化 。当砂轮为 1200, 4000 和 8000 时 , 表面粗糙度 Ra分别从 18 nm 提高至 9 nm、3. 6 nm。磨粒粒径越小 , 实际参加切削的磨粒数目大大增加 , 使被加工表面残余高度降低 , 表面粗糙度大大下降 。另外 , 砂轮磨粒越小 , 致密度越高 , 单个磨粒的材料去除率减少 。但磨粒太细时 , 砂轮易被磨屑堵塞 , ELID 效果减弱 。若导热环境不好 , 反而会在加工表面产生烧伤等现象 , 使表面粗糙度值增大 。图 6 磨粒大小与表面粗糙度关系4 结论为了研究 SUS304 不锈钢的不同磨削条件对表面粗糙度的影响及获得优化的磨削工艺参数 , 利用不同磨粒大小的金刚石砂轮及不同工艺参数对不锈钢进行了 ELID 镜面磨削正交实验 。1 砂轮粒度 、转速 、X 平台和 Y 平台移动速度 、进给率和 ELID 电源条件的变化都会对 SUS304 不锈钢磨削表面产生影响 。减少磨粒粒径和 Y 平台移动速度 、降低进给率 、提高砂轮转速与 ELID 电源条件均能提高工件表面粗糙度 。2 利用 325 和 1200 砂轮进行两组正交磨削试验表明 , 较高的砂轮转速和 X 工作台移动速度 , 较低的 Y工作台移动速度和较高的 ELID 电源参数为合理的ELID 镜面磨削 SUS304 不锈钢的工艺条件 。3 利用 8000 微粉砂轮进行 ELID 镜面磨削 , 能获得表面粗糙度 Ra3.6 nm 的 SUS304 不锈钢表面 。[ 参考文献 ][ 1] 关佳亮 , 杨亚兰 , 孙志杰 , 赵增强 , 舒行军 . 不锈钢的 ELID 磨削实验研究 [ J] . 现代制造工程 , 2009, 10 17, 18[ 2] 黄云 , 杨春强 , 黄智 .304 不锈钢砂带磨削试验研究 [ J] . 中国机械工程 , 2011, 22 3 291 ~295[ 3] Chen F J, et al. Profile error compensation in ultra-precision grindingof aspheric surfaces with on machine measurement[ J] . InternationalJournal of Machine Tools and Manufacture, 2010, 50 5 480~486[ 4] 杨春强 , 黄云 , 黄智 , 张栋升 . 1Cr13 不锈钢砂带磨削试验研究 [ J] . 机械科学与技术 , 2011, 30 6 1007 ~1010[ 5] Sanchez J A, et al. Electrical discharge truing of metal-bondedCBN wheels using single-point electrode[ J] . International Jour-nal of Machine Tools and Manufacture, 2008, 48 3, 4 362~370[ 6] Ohmori H, Nakagawa T. Analysis of mirror surface generation ofhard and brittle materials by ELID-grinding with superfine grainmetallic bond wheels[ J] . CIRP Annals Manufacturing Tech-nology, 1995, 44 1 287 ~290[ 7] Ohmori H, et al. Functionalization of stainless steel surface throughmirror quality finish grinding[ J] . CIRP Annals ManufacturingTechnology, 2008, 57 1 545 ~549[ 8] 尹韶辉等 . ELID 镜面磨削加工技术研究进展 [ J] . 中国机械工程 , 2010, 21 6 750 ~755905

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