研磨液對440c不銹鋼磁力研磨效果的影響

吳昊，張桂香*

（山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博 255049）

研磨液對440c不銹鋼磁力研磨效果的影響

吳昊，張桂香*

（山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博 255049）

分別以46#機(jī)械油和煤油對440c不銹鋼表面進(jìn)行磁力研磨。通過正交試驗(yàn)對研磨加工的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從表面粗糙度基體質(zhì)量損耗、三維表面形貌等方面對比研究了上述 2種研磨液對不銹鋼表面光整效果的影響。結(jié)果表明，以機(jī)械油為研磨液時的光整效果更好，磁力研磨的最佳工藝條件為：主軸轉(zhuǎn)速2 500 r/min，加工間隙1.8 mm，進(jìn)給速率60 mm/min，磨料填充量2.0 g在最佳工藝條件下研磨后，工件的表面粗糙度由0.381 μm降至0.032 μm，大量毛刺和劃痕得以去除，鏡面效果良好。

不銹鋼；磁力研磨；研磨液；表面形貌；粗糙度

First-author’s address: School of Mechanical Engineering， Shandong University of Technology， Zibo 255049， China

440c不銹鋼是鉻含量為17%的馬氏體不銹鋼，由于具有高鉻的特性，熱處理后碳化物含量高［1-4］。因此440c不銹鋼在不銹鋼系列中的強(qiáng)度和硬度最高，耐磨性最好，并具有磁性，較多應(yīng)用于制作抗弱腐蝕性介質(zhì)并需承受沖擊負(fù)荷的零件，如切削刀片、手術(shù)器械、軸承以及泵和閥的耐磨損件等［5］。

不銹鋼的應(yīng)用發(fā)展在很大程度上取決于其表面光整加工技術(shù)。磁力研磨作為光整技術(shù)的一個重要分支，是一種將超精加工與磁場控制相結(jié)合的新型光整加工方法［6-9］。該方法在技術(shù)上具有自適應(yīng)性、自銳性、可控性，無需進(jìn)行工具磨損補(bǔ)償、無需修形等諸多優(yōu)點(diǎn)［10-12］，可以很快獲得高質(zhì)量的加工表面［12-14］，并且降低了加工成本［15］。本試驗(yàn)將磁力研磨應(yīng)用于440c不銹鋼光整加工階段，研究加入不同研磨液對其表面質(zhì)量與形貌的影響規(guī)律，為磁力研磨加工不銹鋼表面提供理論指導(dǎo)和工藝參考。

1　加工和檢測

試驗(yàn)裝置為由山東魯南機(jī)床廠生產(chǎn)的XK7136C型數(shù)控銑床（如圖1所示）改裝而來的平面研磨裝置，加工現(xiàn)場如圖2所示。工件為440c不銹鋼薄板，磁極為N38釹鐵硼永磁極（φ 12 mm），在1.5 ～ 2.0 mm間隙內(nèi)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.85 ～ 0.70 T，研磨液為煤油或46#機(jī)械油。針對440c不銹鋼硬度高，磨削時材料表面黏性大且升溫快的特點(diǎn)，依次用100 ～ 180目、180 ～ 300目、300 ～ 400目的Al2O3系磨料分別加工8、8和4 min，研磨過程中每隔2 min向工件表面滴加1 mL研磨液。

用北京時代公司生產(chǎn)的TR200手持式表面粗糙度儀測定工件的表面粗糙度Ra，在加工區(qū)域內(nèi)隨機(jī)測量數(shù)次，取平均值。采用美國KLA-Tencor公司生產(chǎn)的MicroXAM-100白光干涉儀觀察工件的表面形貌。選用德國賽多利斯BS224S電子天平（分辨率為0.1 mg）稱取工件研磨前后的質(zhì)量，其差值即為材料的微觀去除量MR。

圖1　平面研磨裝置實(shí)物圖Figure 1　Physical diagram of plane magnetic abrasive finishing device

圖2　磁力研磨加工示意圖Figure 2　Schematic diagram showing the processing of magnetic abrasive finishing

2　結(jié)果與討論

2. 1正交試驗(yàn)

采用46#機(jī)械油為研磨液，以表面粗糙度為評價指標(biāo)，按L9（43）正交表對磁力研磨的主軸轉(zhuǎn)速S、加工間隙δ（磁極下表面與被研磨工件之間的垂直距離）、進(jìn)給速率f、磨料填充量m等主要參數(shù)進(jìn)行正交優(yōu)化，結(jié)果和極差分析如表1所示。

表1　正交試驗(yàn)結(jié)果和極差分析Table 1　Results and range analysis of orthogonal test

由表1可知，各參數(shù)對440c不銹鋼磁力研磨效果的影響順序?yàn)椋褐鬏S轉(zhuǎn)速 ＞ 進(jìn)給速率 ＞ 加工間隙 ＞ 磨料填充量，最優(yōu)工藝組合為：主軸轉(zhuǎn)速2 500 r/min，加工間隙1.5 mm，進(jìn)給速率60 mm/min，磨料填充量2.0 g。在該工藝條件下進(jìn)行試加工發(fā)現(xiàn)，加工后440c不銹鋼的表面粗糙度為0.035 μm。其余參數(shù)相同，加工間隙為1.8 mm時，工件表面粗糙度為0.032 μm，總體加工效果更好。這是因?yàn)檫x用1.8 mm的加工間隙既保證了磁極吸附磨料后對工件有足夠的研磨力，還使磁極與被研磨工件之間有足夠的間隙來填充磨料，使磨料有一定的流動性。因此選擇加工間隙為1.8 mm。

2. 2研磨液對工件表面粗糙度的影響

其余工藝參數(shù)為最優(yōu)，以煤油或46#機(jī)械油為研磨液時，被磨工件的粗糙度和材料去除量在加工過程中的變化如圖3所示。從圖3中可以看出，在前8 min，即使用100 ～ 180目Al2O3系磨料時，以煤油為研磨液的工件表面粗糙度下也降得比46#機(jī)械油快，材料的去除量更大。這是由于在初始加工階段，磁極吸附磨料主要以切削和滑擦運(yùn)動為主。46#機(jī)械油的黏稠度比煤油高，更易在工件表面形成耐高溫、耐摩擦而不被破壞的潤滑膜從而保護(hù)了工件表面。從第9 min開始用180 ～ 300目磨料，以機(jī)械油為研磨液的工件表面粗糙度下降較快。這是由于在高轉(zhuǎn)速下加入的磁性磨粒切削刃迅速變鈍，在工件表面產(chǎn)生多次塑變磨損和腐蝕磨損。同時由于工件升溫快而煤油易揮發(fā)，難以在工件表面形成吸附膜，相對而言，加入機(jī)械油形成的潤滑膜能使磨粒的流動性加強(qiáng)，導(dǎo)致微小切屑難以進(jìn)入工件表面，保護(hù)工件的同時還提高了研磨效率。從第16 min開始使用300 ～ 400目磨料對工件進(jìn)行研磨，由于磨料非常細(xì)，只能對工件表面起拋光的作用，表面粗糙度略有下降。以46#機(jī)械油、煤油為研磨液時，工件的表面粗糙度由初始的0.381 μm分別降至最終的0.032 μm和0.042 μm。

圖3　表面粗糙度和材料去除量隨加工時間的變化Figure 3　Variation of surface roughness and weight loss with processing time

圖4所示為在最佳工藝條件下，以46#機(jī)械油為研磨液時，工件加工前后的照片。從圖4可知，經(jīng)磁力研磨后，工件表面獲得良好的鏡面效果。

圖4　用46#機(jī)械油磁力研磨前后工件的鏡面效果Figure 4　Mirror effect of workpiece before and after magnetic abrasive finishing with 46# mechanical oil

2. 3研磨液對工件表面形貌的影響

圖5所示為工件經(jīng)不同研磨液加工前后的三維表面形貌。從圖5a可知，由于受傳統(tǒng)機(jī)械加工的影響，原始工件表面存留大量毛刺且有較為明顯的機(jī)械劃痕。從圖5b和圖5c可知，磁力研磨時，由于受磁場作用，磁性磨粒形成“磁力研磨刷”而對工件表面起接觸滑擦、擠壓和微量切削等作用，使工件表面的彈塑性變形區(qū)域很小，因而加工變質(zhì)層也很薄，工件表面大量毛刺得以去除；另外由于加工過程中工件表面凸起處的塑變磨損相對較大，最終溝壑型機(jī)械劃痕消失，獲得光滑的工件表面。以機(jī)械油為研磨液的加工表面形貌好于以煤油為研磨液的加工表面。這是由于機(jī)械油更易在工件表面形成一層物理吸附膜，對磨粒有浸潤作用，增強(qiáng)了磁性磨料的流動性，提高了研磨效率，同時降低了工件表面磨削熱，防止微小切屑壓入工件表面，促進(jìn)了磁性磨粒的磨削光整作用。

圖5　磁力研磨前后工件的三維表面形貌Figure 5　Three-dimensional surface morphologies of workpieces before and after magnetic abrasive finishing編者注：圖5原為彩色，請見C1頁。

3　結(jié)論

（1） 采用46#機(jī)械油為研磨液對導(dǎo)磁440c不銹鋼進(jìn)行磁力研磨的最佳工藝參數(shù)為：主軸轉(zhuǎn)速2 500 r/min，加工間隙1.8 mm，進(jìn)給速率60 mm/min，磨料填充量2.0 g。

（2） 以46#機(jī)械油為研磨液對導(dǎo)磁不銹鋼進(jìn)行磁力研磨后，工件表面粗糙度由0.381 μm降至0.032 μm，光整效果好于煤油。

（3） 采用研磨液進(jìn)行磁力研磨后，工件表面大量毛刺得以去除，劃痕消失，表面形貌改善。

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［ 編輯：周新莉 ］

Effect of grinding fluid on magnetic abrasive finishing efficiency of 440c stainless steel

// WU Hao， ZHANGGui-xiang

440c stainless steel was treated by magnetic abrasive finishing with 46# mechanical oil and kerosene as grinding fluid respectively. The process parameters of magnetic abrasive finishing were optimized through orthogonal test. The effects of the two kinds of grinding fluid on finishing efficiency of stainless steel surface were comparably studied from several aspects including surface roughness， weight loss of substrate， and three-dimensional surface morphology. The results showed that the finishing efficiency is preferable when using mechanical oil as grinding fluid. The optimal process conditions of magnetic abrasive finishing are as follows： rotation speed of spindle 2 500 r/min， machining gap 1.8 mm， feed rate 60 mm/min and filling amount of abrasives 2.0 g. After grinding under the optimal conditions， the surface roughness of workpiece was decreased from 0.381 μm to 0.032 μm and lots of bur and nick are removed， resulting in excellent mirror effect.

stainless steel； magnetic abrasive finishing； grinding fluid； surface morphology； roughness

TG580.68

A

1004 - 227X （2015） 03 - 0121 - 04

2014-09-26

2014-12-01

吳昊（1989-），男，山東淄博人，在讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)橄冗M(jìn)制造技術(shù)與設(shè)備。

張桂香，博士，副教授，（E-mail） zgx1999@126.com。