磁力研磨對440c不銹鋼表面形貌的影響

吳 昊，張桂香，趙文聰

(山東理工大學(xué)機械工程學(xué)院，山東淄博255049)

引 言

440c不銹鋼是一種馬氏體型不銹鋼，其鉻質(zhì)量分數(shù)為17%，碳質(zhì)量分數(shù)達到1%左右［1］，由于其高碳、高鉻的特性，熱處理后碳化物數(shù)量多，因此440c不銹鋼具有較高的強度、硬度、耐磨性和抗氧化性［2］。440c不銹鋼在大氣、水蒸氣和不超過30℃的鹽水溶液、硝酸及食品介質(zhì)中具有足夠的耐蝕性，廣泛用于制作抗弱腐蝕性介質(zhì)并能承受沖擊負荷的零件［3］，如球閥、軸承、水壓閥、泵、渦輪、壓縮機、軸、餐具、手術(shù)刀具以及外科磨具［4］等。目前，國內(nèi)外對不銹鋼類零件的光整加工技術(shù)僅以砂布拋光、毛絲面加工等表面研磨方式為主，這類加工方法在加工期間過程繁雜、加工設(shè)備昂貴，表面粗糙度僅能達到 0.25μm 左右［5］。

光整加工作為零件加工的最后一道工序?qū)α慵馁|(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。磁力研磨作為新興的光整加工技術(shù)［6－7］，利用磁場使磁極吸附磨料對零件表面進行研磨加工的工藝方法。由于磁力研磨屬于微量磨削［8］，并且在加工過程中磁性磨粒的交變磨損作用［9］，可以在短時間內(nèi)獲得很好的零件表面形貌和較低的表面粗糙度。由于磁力研磨具有自適應(yīng)性，工具無需補償、修形等特點有望和數(shù)控技術(shù)相結(jié)合實現(xiàn)加工自動化［10－11］。因此，對440c不繡鋼進行磁力研磨實驗研究，探討其加工后表面形貌特征和表面粗糙度的變化，目的是使該類零件在工業(yè)方面得到更廣泛的應(yīng)用和推廣。

1 實驗加工條件與檢測裝置

實驗裝置為XK7136C型數(shù)控銑床改裝的平面研磨裝置;試樣為440c不銹鋼薄板(400mm×35mm×3mm)，磁極N38釹鐵硼永磁極(Φ13mm)在1.5～2.0mm的間隙內(nèi)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度為0.90 ～0.75T;研磨液采用煤油;選用Al2O3系磨料75～150μm、48～75μm、38～48μm，加工 t依次為8、8 和4min，總加工 t為20min。

采用TR200手持式表面粗糙度儀(北京時代公司)測定工件表面粗糙度，在加工區(qū)域內(nèi)隨機測量數(shù)次取平均值作為最終工件表面粗糙度。采用MicroXAM－100白光干涉儀(美國Tencor公司)測工件加工前后表面形貌。

2 正交試驗設(shè)計與分析

由于440c不銹鋼硬度較高，磨削時材料表面粘性大且升溫快，所以選取Al2O3系磨料(w7)對試樣進行磁力研磨。這類磨料熱穩(wěn)定性好，化學(xué)惰性強，不易與鐵族元素產(chǎn)生親和作用。針對440c不銹鋼磁力研磨中的主要參數(shù)(主軸轉(zhuǎn)速、加工間隙、磨削進給速度和磨料填充量)進行正交試驗設(shè)計，并探討了加工參數(shù)對表面粗糙度的影響［5］。以最少的試驗次數(shù)獲得440c不銹鋼磁力研磨加工的優(yōu)化參數(shù)。試驗因素水平如表1所示。

表1 試驗因素水平

各個主要參數(shù)水平分別采用正交表格形式組合進行試驗，采用直觀因素分析法對試驗數(shù)據(jù)進行分析，如表2所示。

表2 試驗直觀分析結(jié)果

由于試驗是以表面粗糙度為評價指標(biāo)，所以各因素應(yīng)取各水平因素的最小平均值。對于主軸轉(zhuǎn)速v來說，Ak3＜Ak2＜Ak1，故選取A3(第三個因素平均值)水平參數(shù)。以此類推，剩余的最佳參數(shù)為B1C3D2。即優(yōu)化參數(shù)為主軸轉(zhuǎn)速2500r/min、加工間隙 1.5mm、進給速度60mm/min、磨料填充量2.0g。采用極差分析法分析，極差R越大說明該極差所對應(yīng)的參數(shù)對試驗影響越大，根據(jù)表2的極差結(jié)果分析RA＞RB＞RC＞RD，即各參數(shù)對試驗的影響順序為:主軸轉(zhuǎn)速＞加工間隙＞進給速度＞磨料填充量。對于高硬度440c不銹鋼，為達到磨削加工的良好效果，高轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生的磨削力是必不可少的;而1.5mm的加工間隙可以使得磁極產(chǎn)生足夠的磁場強度，吸附磨料防止磨料飛濺，降低研磨效率。

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 表面形貌與微觀紋理的變化

圖1 為440c不銹鋼加工前后表面形貌照片。440c不銹鋼經(jīng)過精密磨床磨削，受到機械加工工藝系統(tǒng)的振動使工件與磨具之間成形運動受到破壞，從而在工件表面沿加工方向形成溝壑型劃痕。原始試樣在磨床磨削過程中，受到豎直方向的擠壓作用，受到磨床精度的影響，在相對運動中導(dǎo)致試樣表面余留大量毛刺，如圖1(a)所示。在經(jīng)過磁力研磨以后，材料表面溝壑劃痕得以去除，大量毛刺也消失，如圖1(b)所示。這是因為在磁力研磨過程中，磁性磨粒與材料表面以一定方式相對運動，磁場力使磁性磨料始終壓向試樣表面［9］，對表面產(chǎn)生擠壓作用，大量毛刺得以去除。由于在加工過程中，磁性磨粒集中在磁力線密集的溝壑表面凸起附近，溝壑型劃痕凸體處的塑變磨損相對較大，最終消失不見。表面形貌和紋理的改善，使得腐蝕性物質(zhì)不易在表面積聚，滲透和腐蝕作用變小，使440c不銹鋼耐腐蝕性得到提高［12］。

圖1 440c不銹鋼三維表面形貌照片

3.2 表面粗糙度的變化

表面粗糙度能夠度量表面的微觀不平度，表征被加工表面的微觀幾何形狀誤差，是實驗研究表面完整性中的一個重要環(huán)節(jié)。原始工件受到常規(guī)機械加工各方面因素的影響，表面粗糙度增加，難以達到使用要求。在經(jīng)過磁力研磨以后，工件由于受到磁性磨粒磨削、擠壓［8］以及多次塑變磨損和摩擦腐蝕磨損作用［11］，研磨效率提高，可以很快的獲得較為光滑的表面。

圖2 為440c不銹鋼試樣加工前后表面粗糙度測試結(jié)果。從圖2可以看出，在經(jīng)過20min磁力研磨后，原始表面粗糙度由 0.450μm下降到0.043μm。磁力研磨加工前后的鏡面效果對比如圖3所示。材料表面粗糙度的降低，抗疲勞強度和耐磨性得到改善，能提高了使用壽命和機械性能。

圖2 440c不銹鋼表面粗糙度對比

圖3 加工前后鏡面效果對比

4 結(jié)論

1)經(jīng)過正交試驗設(shè)計與分析，采用霧化快凝法制備Al2O3磨料，440c不銹鋼磁力研磨的優(yōu)化參數(shù)為主軸 2500r/min、加工間隙 1.5mm、進給速度60mm/min、磨料填充量 2.0g。

2)在磁力研磨過程中，由于磁極吸附磨料形成磁力研磨刷對440c不銹鋼材料表面進行塑變磨損、腐蝕磨損及電化學(xué)磨損等作用，其表面形貌狀況得到改善，使材料的耐腐蝕性得到提高。

3)經(jīng)過磁力研磨后，440c不銹鋼材料表面粗糙度由初始的0.450μm 下降到 0.043μm，獲得良好鏡面效果，材料的疲勞強度和耐磨性得到提高。

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