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(xué) 機(jī)械與電氣工程學(xué)院，廣州 510006)

強化研磨技術(shù)是一種基于復(fù)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(shù)，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(jìn)行隨機(jī)等概率的碰撞，其中噴丸使其表面層發(fā)生彈塑性變形，并產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，同時，噴丸對工件表面進(jìn)行初次磨削；研磨粉在高壓作用下與工件表面產(chǎn)生橫向作用力，對工件表面進(jìn)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(fù)雜作用，從而達(dá)到對工件表面的強化和研磨的效果。與傳統(tǒng)加工方式相比，強化研磨技術(shù)還具有耗能少、成本低、效益好等優(yōu)點，順應(yīng)了現(xiàn)代加工的需要，也是未來發(fā)展的一種趨勢。

1 機(jī)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(fā)生塑性變形，在加工初期其所產(chǎn)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(jīng)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(shè)加工中每顆噴丸噴出的速度相同，則其與工件表面發(fā)生碰撞時所產(chǎn)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(qū)域內(nèi)，根據(jù)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(luò)，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(chǎn)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(jīng)高壓泵加速后經(jīng)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(dá)到去除材料的目的。當(dāng)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(dāng)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(xù)進(jìn)行，噴丸的噴射深度隨著工件達(dá)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(dá)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(shè)備為軸承套圈無心強化研磨機(jī)。該機(jī)由電磁無心夾具系統(tǒng)、強化研磨料高壓噴射與回收集成系統(tǒng)、高壓噴頭三維調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、安全防護(hù)裝置、機(jī)架及其附件、操作界面及控制系統(tǒng)等構(gòu)成。

加工工件的表面粗糙度采用日產(chǎn)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(jīng)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(yè)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(jìn)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(jīng)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(shè)其噴射壓力為0；其余10個套圈依次編號為1#～10#，相應(yīng)的噴射壓力分別為0.1，0.2，0.3，…，1.0 MPa；其他工藝參數(shù)不變，分別設(shè)置為：噴射時間為5 min，工件轉(zhuǎn)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(shè)定的相應(yīng)噴射壓力下分別對1#～10#套圈進(jìn)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(jìn)行觀察。

2.5 試驗結(jié)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(shè)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(dá)到Ra0.138 μm，這是因為在此噴射壓力下，噴丸在套圈表面所產(chǎn)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(dá)到了一個穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。

(2)當(dāng)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(tài)；當(dāng)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(nèi)，噴射壓力越大，噴丸在套圈表面產(chǎn)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(dāng)噴射壓力越大，套圈表面粗糙度值也就越大；當(dāng)噴丸在套圈表面產(chǎn)生凹坑與研磨料的切削作用達(dá)到平衡時，表面粗糙度隨壓力的變化也趨于平衡，即當(dāng)壓力在0.8 MPa時，套圈表面粗糙度達(dá)到一個平衡狀態(tài)；當(dāng)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(chǎn)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(chǎn)生的凹坑決定，故當(dāng)壓力超過0.8 MPa時，套圈表面粗糙度值明顯增大。

(3)當(dāng)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(xiàn)了不斷上升的趨勢。究其原因，主要是因為當(dāng)噴射壓力過小時，噴丸在軸承套圈表面產(chǎn)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(jīng)加工套圈相比變化很小。

4 結(jié)束語

試驗結(jié)果表明，強化研磨加工技術(shù)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(yīng)控制在0.4 MPa左右。