強化研磨加工中噴射時間對鋼球磨損的影響* ＊

劉曉初 蕭金瑞 張建文 謝碧洪 周俊輝 黃 駿

(①廣州大學廣州市金屬材料強化研磨高性能加工重點實驗室，廣東 廣州510006;②廣州大學機械與電氣工程學院，廣東 廣州510006;③羅定職業技術學院，廣東 羅定527200)

強化研磨技術是廣州大學劉曉初教授提出的一種基于復合加工方法的抗疲勞、抗腐蝕、抗磨損金屬材料精密加工技術［1］。該方法能夠使金屬工件被加工后獲得表面殘余壓應力，以改善工件的表面性能，延長其疲勞壽命［2-4］。

強化研磨原理是使強化研磨料(由強化鋼丸、研磨粉、強化研磨液組成)與高壓氣流混合后經高壓噴射系統噴射到工件表面上，對工件表面不斷進行碰撞敲打致使工件表層發生塑性形變，從而達到對工件表面進行強化研磨的效果［5］，如圖1 所示。

在不斷的碰撞過程中，強化研磨料中的鋼球表面也會因為力的作用而發生塑性變形和磨損。本文先從理論上分析強化研磨加工中不同噴射時間對鋼球磨損的影響，然后通過實驗驗證噴射時間對鋼球磨損的影響。最終，通過理論分析和實驗驗證確定噴射時間和鋼球磨損之間的關系。

強化研磨加工過程中，鋼球經高壓噴射系統后噴射至工件表面，其動能Ek=mv2/2，其中，m為鋼球質量，v為噴射速度。在噴射初期過程中，鋼球主要發生塑性形變。應用Hertz 理論和彈塑性模型推導可得單個彈性鋼球噴射到工件表面瞬間所產生的最大力F為［6］

其中:E為鋼球的彈性模量;v為泊松比;ρ 為材料密度，V為鋼球的碰撞速度。通過Hassani 理論推導，可得出靜態加載時鋼球的凹陷深度和變形深度之間的關系為［7］:

式中:hp為彈性變形深度，R為鋼球半徑，Z-為凹陷深度。由進一步的實驗和驗證可知，動態加載所產生的凹陷程度和靜態加載所產生的凹陷程度相同時，產生的塑性深度也相差不大，因此鋼球的凹陷深度和變形深度之間的關系式也適用于動態加載的情況下。隨著研磨加工時間的增加，鋼球和工件碰撞的次數也隨之增加，鋼球表面的形變逐漸增大并產生裂紋磨損等變化［8］。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試驗準備

本試驗采用廣州大學劉曉初教授自主研制的強化研磨機作為加工設備，其主要結構包括:電磁無心裝夾裝置、強化研磨料高壓噴射與回收裝置、高壓噴射裝置。強化研磨對象為深溝球軸承外圈，外徑為72 mm，寬度為10 mm，材料為 GCr15 軸承鋼，硬度為59.62 HRC。強化研磨料中所用的鋼球為鑄鋼球，直徑為2 mm，硬度為65HRC。所用的研磨粉為棕剛玉粉末，所用的研磨液為機械加工中常用于潤滑冷卻的切削液，試驗中強化研磨料各組分如表1 所示。

試驗步驟:(1)取直徑為2 mm 的鑄鋼球3 kg;(2)將棕剛玉粉末先經過80 目的篩，再經過120 目的篩，取篩下的粉末1 kg;(3)取機械加工中常用于潤滑冷卻的切削液1.2 kg;(4)將步驟(1)～(3)的材料混合均勻并倒入強化研磨機的研磨料存儲裝置中;(5)將軸承套圈工件裝夾到強化研磨機的電磁無心裝夾裝置上;(6)啟動強化研磨機，將研磨料噴射到工件表面，設置噴射壓力為0.8 MPa。

1.2 試驗方法

啟動強化研磨機進行強化研磨加工后，每間隔1min 暫停一次，并向研磨機內取一次鋼球試樣，連續取30 個試樣，并進行編號。采用場發射電子顯微鏡觀察試樣的表面微觀形貌，并采用光學表面粗糙度測量儀測量表面粗糙度值。

2 試驗結果與分析

圖2 為試樣5 的SEM 放大圖，圖3 為試樣30 的SEM 放大圖。從圖中可以看出，試樣5 鋼球表面微觀形貌較為規律，鋼球表面未產生明顯的磨損。而試樣30 表面微觀形貌紊亂，雜亂無章，同時呈現大量的凹坑與凸起形貌。可見試樣30 已經出現了嚴重的磨損，表層將逐漸剝落形成不規則的表面形貌，如繼續采用該鋼球對工件進行強化研磨加工，在強化研磨加工中很可能會對工件表面造成刮痕劃傷等不利影響。而試樣5 則可繼續用于強化研磨加工。

由于加工環境相對穩定，加工參數也保持不變，所以鋼球的表面形貌與表面粗糙度值成線性對應關系，即鋼球表面形貌越雜亂無章其粗糙度值越大［9-10］。因此，可以通過鋼球表面粗糙度值分析鋼球的磨損程度。記錄30 個試樣的表面粗糙度值并繪制鋼球的表面粗糙度—噴射時間曲線，如圖4 所示。

由圖4 可得以下結論:

(1)在設定的工藝參數下對軸承套圈進行強化研磨加工，在噴射時間為0 ～10 min 范圍內，鋼球的表面粗糙度變化較平緩。由于初期強化研磨階段，鋼球表面發生彈性形變，而鋼球表面發生彈性形變所吸收的能量與撞擊過程中產生的能量相當，無大量剩余能量，故鋼球表面磨損量較小，從而使得其表面粗糙度變化較平緩。

(2)噴射時間為10 ～22 min 范圍內，鋼球表面粗糙度值隨著噴射時間的增加而線性增大。由于在多次撞擊后，鋼球表面疲勞而進入表面塑性形變階段。此階段，鋼球表面不存在或極少存在彈性變形，在撞擊條件不變的條件下，鋼球的塑性形變量與撞擊次數成正比。所以，在此階段鋼球表面粗糙度值隨著噴射時間的增加而線性增大。

(3)噴射時間為22 ～30 min 范圍內，鋼球表面粗糙度值隨著噴射時間的增加而急劇增大。由于經歷塑性形變后，鋼球表面完全進入了疲勞階段，此時鋼球表面開始出現剝落層與明顯的凸起或凹陷雜亂無章的表面形貌。此階段的鋼球，每一次撞擊都可能造成鋼球表層的剝落與破裂。所以，在此階段鋼球表面粗糙度值隨著噴射時間的增加而急劇增大。

(4)鋼球在進入表面粗糙度值隨噴射時間急劇增大的階段后則不再適用于強化研磨加工，即在本試驗所設定的強化研磨工藝參數條件下對軸承套圈進行強化研磨20 min 后則需更換強化研磨料中的鋼球，否則會對工件表面造成刮痕和劃傷等不利的影響。

3 結語

本文首先從機理上對強化研磨加工中強化研磨料中的鋼球進行分析，然后通過試驗進一步地分析強化研磨加工中不同噴射時間對強化研磨料中鋼球的磨損的影響。試驗結果表明:鋼球表面在噴射時間為0 ～10 min 范圍內為彈性變形，在噴射時間為10 ～22 min范圍內為塑性變形，在噴射時間為22 ～30 min 范圍內為疲勞磨損變形。所以，以試驗所設定的工藝參數為強化研磨加工參數時，加工22 工min 后則需更換強化研磨料中的鋼球，否則會對工件造成刮痕和劃傷等不利影響。

［1］劉傳劍，劉曉初，李文雄.軸承套圈溝道強化研磨加工中碰撞數值模擬分析［J］.軸承，2010 (12):21-24.

［2］欒偉玲，涂善東.噴丸表面改性技術的研究進展［J］. 中國機械工程，2005，16(15):1405 -1409.

［3］劉傳劍. 軸承強化研磨加工有限元仿真分析及設備研制［D］. 廣州:廣州大學，2011.

［4］王仁智.表面噴丸強化機制［J］.機械工程材料，1988(5):20.

［5］李文雄. 軸承強化研磨加工工藝參數優化的研究［D］. 廣州:廣州大學，2012.

［6］高霽，蘇新偉，鐘佳麗. Hertz 理論在球軸承應用方面的局限性［J］. 軸承，2008(11):9 -11.

［7］Al-Hassani S T S. Mechanical aspects of residual stress development in shot peening［D］.U.K.:University of Manchester，1981:583 -603.

［8］閆五柱，章剛，溫世峰，等. 表面粗糙度對噴丸殘余應力場的影響［J］.2010(4):523 -527.

［9］蔣書文，姜斌，李燕，等. 磨損表面形貌的三維分形維數計算［J］.摩擦學學報，2003，23(6):533-536.

［10］冀盛亞，孫樂民，上官寶，等. 表面粗糙度對黃銅/鉻青銅摩擦副載流摩擦磨損性能影響的研究［J］. 潤滑與密封，2009，34(1):29-31.