強(qiáng)化研磨加工中噴射時(shí)間對(duì)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?gòu)V州大學(xué)廣州市金屬材料強(qiáng)化研磨高性能加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州510006;②廣州大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院，廣東 廣州510006;③羅定職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 羅定527200)

強(qiáng)化研磨技術(shù)是廣州大學(xué)劉曉初教授提出的一種基于復(fù)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(shù)［1］。該方法能夠使金屬工件被加工后獲得表面殘余壓應(yīng)力，以改善工件的表面性能，延長(zhǎng)其疲勞壽命［2-4］。

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

在不斷的碰撞過(guò)程中，強(qiáng)化研磨料中的鋼球表面也會(huì)因?yàn)榱Φ淖饔枚l(fā)生塑性變形和磨損。本文先從理論上分析強(qiáng)化研磨加工中不同噴射時(shí)間對(duì)鋼球磨損的影響，然后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證噴射時(shí)間對(duì)鋼球磨損的影響。最終，通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證確定噴射時(shí)間和鋼球磨損之間的關(guān)系。

強(qiáng)化研磨加工過(guò)程中，鋼球經(jīng)高壓噴射系統(tǒng)后噴射至工件表面，其動(dòng)能Ek=mv2/2，其中，m為鋼球質(zhì)量，v為噴射速度。在噴射初期過(guò)程中，鋼球主要發(fā)生塑性形變。應(yīng)用Hertz 理論和彈塑性模型推導(dǎo)可得單個(gè)彈性鋼球噴射到工件表面瞬間所產(chǎn)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(guò)Hassani 理論推導(dǎo)，可得出靜態(tài)加載時(shí)鋼球的凹陷深度和變形深度之間的關(guān)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(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證可知，動(dòng)態(tài)加載所產(chǎn)生的凹陷程度和靜態(tài)加載所產(chǎn)生的凹陷程度相同時(shí)，產(chǎn)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(guān)系式也適用于動(dòng)態(tài)加載的情況下。隨著研磨加工時(shí)間的增加，鋼球和工件碰撞的次數(shù)也隨之增加，鋼球表面的形變逐漸增大并產(chǎn)生裂紋磨損等變化［8］。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

本試驗(yàn)采用廣州大學(xué)劉曉初教授自主研制的強(qiáng)化研磨機(jī)作為加工設(shè)備，其主要結(jié)構(gòu)包括:電磁無(wú)心裝夾裝置、強(qiáng)化研磨料高壓噴射與回收裝置、高壓噴射裝置。強(qiáng)化研磨對(duì)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(qiáng)化研磨料中所用的鋼球?yàn)殍T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(jī)械加工中常用于潤(rùn)滑冷卻的切削液，試驗(yàn)中強(qiáng)化研磨料各組分如表1 所示。

試驗(yàn)步驟:(1)取直徑為2 mm 的鑄鋼球3 kg;(2)將棕剛玉粉末先經(jīng)過(guò)80 目的篩，再經(jīng)過(guò)120 目的篩，取篩下的粉末1 kg;(3)取機(jī)械加工中常用于潤(rùn)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(qiáng)化研磨機(jī)的研磨料存儲(chǔ)裝置中;(5)將軸承套圈工件裝夾到強(qiáng)化研磨機(jī)的電磁無(wú)心裝夾裝置上;(6)啟動(dòng)強(qiáng)化研磨機(jī)，將研磨料噴射到工件表面，設(shè)置噴射壓力為0.8 MPa。

1.2 試驗(yàn)方法

啟動(dòng)強(qiáng)化研磨機(jī)進(jìn)行強(qiáng)化研磨加工后，每間隔1min 暫停一次，并向研磨機(jī)內(nèi)取一次鋼球試樣，連續(xù)取30 個(gè)試樣，并進(jìn)行編號(hào)。采用場(chǎng)發(fā)射電子顯微鏡觀察試樣的表面微觀形貌，并采用光學(xué)表面粗糙度測(cè)量?jī)x測(cè)量表面粗糙度值。

2 試驗(yàn)結(jié)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(guī)律，鋼球表面未產(chǎn)生明顯的磨損。而試樣30 表面微觀形貌紊亂，雜亂無(wú)章，同時(shí)呈現(xiàn)大量的凹坑與凸起形貌?？梢?jiàn)試樣30 已經(jīng)出現(xiàn)了嚴(yán)重的磨損，表層將逐漸剝落形成不規(guī)則的表面形貌，如繼續(xù)采用該鋼球?qū)ぜM(jìn)行強(qiáng)化研磨加工，在強(qiáng)化研磨加工中很可能會(huì)對(duì)工件表面造成刮痕劃傷等不利影響。而試樣5 則可繼續(xù)用于強(qiáng)化研磨加工。

由于加工環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定，加工參數(shù)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(duì)應(yīng)關(guān)系，即鋼球表面形貌越雜亂無(wú)章其粗糙度值越大［9-10］。因此，可以通過(guò)鋼球表面粗糙度值分析鋼球的磨損程度。記錄30 個(gè)試樣的表面粗糙度值并繪制鋼球的表面粗糙度—噴射時(shí)間曲線，如圖4 所示。

由圖4 可得以下結(jié)論:

(1)在設(shè)定的工藝參數(shù)下對(duì)軸承套圈進(jìn)行強(qiáng)化研磨加工，在噴射時(shí)間為0 ～10 min 范圍內(nèi)，鋼球的表面粗糙度變化較平緩。由于初期強(qiáng)化研磨階段，鋼球表面發(fā)生彈性形變，而鋼球表面發(fā)生彈性形變所吸收的能量與撞擊過(guò)程中產(chǎn)生的能量相當(dāng)，無(wú)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(shí)間為10 ～22 min 范圍內(nèi)，鋼球表面粗糙度值隨著噴射時(shí)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(jìn)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(shù)成正比。所以，在此階段鋼球表面粗糙度值隨著噴射時(shí)間的增加而線性增大。

(3)噴射時(shí)間為22 ～30 min 范圍內(nèi)，鋼球表面粗糙度值隨著噴射時(shí)間的增加而急劇增大。由于經(jīng)歷塑性形變后，鋼球表面完全進(jìn)入了疲勞階段，此時(shí)鋼球表面開(kāi)始出現(xiàn)剝落層與明顯的凸起或凹陷雜亂無(wú)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(shí)間的增加而急劇增大。

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

3 結(jié)語(yǔ)

本文首先從機(jī)理上對(duì)強(qiáng)化研磨加工中強(qiáng)化研磨料中的鋼球進(jìn)行分析，然后通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)一步地分析強(qiáng)化研磨加工中不同噴射時(shí)間對(duì)強(qiáng)化研磨料中鋼球的磨損的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明:鋼球表面在噴射時(shí)間為0 ～10 min 范圍內(nèi)為彈性變形，在噴射時(shí)間為10 ～22 min范圍內(nèi)為塑性變形，在噴射時(shí)間為22 ～30 min 范圍內(nèi)為疲勞磨損變形。所以，以試驗(yàn)所設(shè)定的工藝參數(shù)為強(qiáng)化研磨加工參數(shù)時(shí)，加工22 工min 后則需更換強(qiáng)化研磨料中的鋼球，否則會(huì)對(duì)工件造成刮痕和劃傷等不利影響。

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