強化研磨加工中噴射壓力對工件表面粗糙度的影響

陶建華，包佑文，劉華，劉曉初

(廣州大學 機械與電氣工程學院，廣州 510006)

強化研磨技術是一種基于復合加工方法的使金屬材料具有抗疲勞、抗腐蝕、抗磨損特性的精密加工技術，集強化塑性加工和研磨微切削于一體的“強化研磨加工”新方法。通過噴管將混有高強度噴丸的強化研磨液高壓噴射到工件表面，對表面進行隨機等概率的碰撞，其中噴丸使其表面層發生彈塑性變形，并產生殘余壓應力，同時，噴丸對工件表面進行初次磨削；研磨粉在高壓作用下與工件表面產生橫向作用力，對工件表面進行微切削；并伴隨有強化液的懸浮、冷卻、清洗及潤滑等一系列復雜作用，從而達到對工件表面的強化和研磨的效果。與傳統加工方式相比，強化研磨技術還具有耗能少、成本低、效益好等優點，順應了現代加工的需要，也是未來發展的一種趨勢。

1 機理分析

強化研磨加工過程中，由于噴丸的作用使得工件表面發生塑性變形，在加工初期其所產生的變形量比磨料的切削量要大，故須首先考慮噴丸對工件表面的作用效果。

噴丸在高壓的作用下經噴管噴射到工件表面，工件表面不斷受到高速噴丸的撞擊而被壓縮。在材料相同的情況下，假設加工中每顆噴丸噴出的速度相同，則其與工件表面發生碰撞時所產生的能量也可以看作是相同的，忽略其他因素的影響，在工件的彈性區域內，根據彈性能的計算公式E=kx2/2可知：工件表面每次受到撞擊時的壓縮量也近似相等(圖1)，即在工件表面留下直徑小于噴丸直徑的球冠形凹坑，被噴面的外形由大量球坑包絡，如圖2所示[1]。通常噴射壓力越大，噴丸獲得的能量就越大，噴丸作用于工件表面所產生的凹坑就越深，但與強化研磨加工前一道工序相比，工件表面則變得整齊了許多。

圖1 工件塑形變形圖

圖2 噴丸

混有磨料粒子的強化研磨液經高壓泵加速后經噴管噴出，以極高的速度射向被加工工件表面。由于磨料粒子與工件之間具有快速的相對運動，使工件表面受到很大的沖擊力、剪切力等作用，從而將材料去除，即借助磨料粒子與工件表面之間的相互作用(高速碰撞剪切作用)達到去除材料的目的。當磨料粒子噴射在噴丸噴射后所形成的圓弧形輪廓的上升沿時(圖3)，則工件表面的凸起部分被切削，表面趨于平整；當磨料粒子噴射在噴丸噴射后形成的圓弧下降沿時，由于噴射方向與下降的方向相同(同向)，則磨料對工件表面起磨削、劃擦光滑的作用[2]。因此，在此階段，噴射壓力越大，強化研磨液中位于工件表面圓弧輪廓上升沿的研磨料切削作用越大，而位于下降沿的研磨料與工件表面的作用也更強烈，容易刮傷工件表面。

圖3 磨粒噴射

隨著強化研磨加工的持續進行，噴丸的噴射深度隨著工件達到其屈服強度而不斷降低[3]，工件表面形成的凸起也漸趨平整，凹凸差變得越來越小，工件表面的圓弧形凸起不斷被切削，工件的幾何形狀誤差、表面粗糙度得到逐步改善，噴射壓力對工件表面粗糙度的影響越來越小，直至達到要求的加工精度。

2 試驗

2.1 試驗及檢測裝置

強化研磨加工試驗用的主要設備為軸承套圈無心強化研磨機。該機由電磁無心夾具系統、強化研磨料高壓噴射與回收集成系統、高壓噴頭三維調節機構、安全防護裝置、機架及其附件、操作界面及控制系統等構成。

加工工件的表面粗糙度采用日產OLS4000型奧林巴斯激光共聚焦顯微鏡檢測，以多次測量的Ra平均值作為該工件的表面粗糙度值。

2.2 試件

本試驗所用試件為經過熱處理和精加工后的角接觸球軸承外圈，材料為GCrl5軸承鋼，外徑為72.00 mm，硬度為60～62 HRC。

2.3 強化研磨液及配方

工業加工中使用的強化研磨液一般由強化鋼丸、研磨粉和強化液等組成[4-6]，其中強化丸以鑄鋼丸和軸承鋼丸居多。同時由于鋼丸尺寸大小會直接影響工件表面的粗糙度，故通常將各種尺寸鋼丸混合使用。

在此將2種共7個尺寸的鋼丸混合使用進行試驗，鋼丸尺寸及其配比見表1。試驗研磨粉采用3種不同型號的棕剛玉按一定配比混合，強化液則采用乙二醇胺溶液、洗潔精和水按一定配比混合均勻。研磨粉及強化液成分見表2。

表1 強化鋼丸的尺寸及配比

表2 研磨粉及強化液成分

2.4 試驗方案

本試驗用11個軸承套圈，其中1個為未經試驗的原始套圈(用作試驗對比的樣品)，編號為0#，這里可假設其噴射壓力為0；其余10個套圈依次編號為1#～10#，相應的噴射壓力分別為0.1，0.2，0.3，…，1.0 MPa；其他工藝參數不變，分別設置為：噴射時間為5 min，工件轉速為150 r/min，噴頭孔徑10 mm，噴嘴與工件表面的距離為45 mm。在設定的相應噴射壓力下分別對1#～10#套圈進行強化研磨加工，然后把加工過的套圈置于OLS4000型奧林巴斯激光共聚焦顯微鏡下進行觀察。

2.5 試驗結果與分析

1#，4#和9#套圈試驗后的表面形貌如圖4所示。由圖可以看出：隨著噴射壓力的逐漸增大，套圈表面塑性變形量逐漸增大；套圈表面粗糙度亦隨噴射壓力的變化而變化。

圖4 1#,4#和9#套圈的表面形貌

0#～10#套圈表面粗糙度隨噴射壓力的變化趨勢如圖5所示。

圖5 套圈表面粗糙度隨噴射壓力的變化情況

由圖5可知：

(1)在設定的加工試驗條件下，噴射壓力在0.4 MPa時軸承套圈表面粗糙度值最低，達到Ra0.138 μm，這是因為在此噴射壓力下，噴丸在套圈表面所產生的凹坑幾乎完全可以被研磨料的切削作用去除掉，它們之間達到了一個穩定的平衡狀態。

(2)當噴射壓力從0.4 MPa逐漸增大時，套圈表面粗糙度也隨之逐漸增大；在0.8 MPa時開始趨于水平狀態；當壓力再次增大時，套圈表面粗糙度明顯增大。這是由于在相同的一段時間內，噴射壓力越大，噴丸在套圈表面產生的凹坑就越深，則研磨料對這些凸起的切削所需時間就越長，故當噴射壓力越大，套圈表面粗糙度值也就越大；當噴丸在套圈表面產生凹坑與研磨料的切削作用達到平衡時，表面粗糙度隨壓力的變化也趨于平衡，即當壓力在0.8 MPa時，套圈表面粗糙度達到一個平衡狀態；當壓力從0.8 MPa再次增大時，研磨料的切削作用與噴丸的強化壓縮所產生的凹坑相比相對較小，套圈表面粗糙度主要由噴丸壓縮所產生的凹坑決定，故當壓力超過0.8 MPa時，套圈表面粗糙度值明顯增大。

(3)當噴射壓力從0.4 MPa逐漸減小為0時，套圈表面粗糙度不再隨噴射壓力的降低而降低，反而出現了不斷上升的趨勢。究其原因，主要是因為當噴射壓力過小時，噴丸在軸承套圈表面產生的強化壓縮量很小，同時，研磨料在套圈表面的微切削作用也不斷減小，甚至可以忽略不計，故其表面粗糙度與未經加工套圈相比變化很小。

4 結束語

試驗結果表明，強化研磨加工技術能夠很好地降低套圈表面粗糙度，是一種高效、可靠、成本低廉的加工工藝。在強化研磨加工中，為了保證套圈表面粗糙度處于最佳，在滿足要求并綜合考慮各種因素的條件下，噴射壓力應控制在0.4 MPa左右。