超聲微沖擊作用碳鋼表面改善耐磨性的實(shí)驗(yàn)研究

趙書劍,鄭文婷，張遼遠(yuǎn),雷凱濤

(1.沈陽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,沈陽 110159；2.遼寧中海潤科技有限公司)

45號(hào)鋼是中碳優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼,切削加工性能良好,易于切削加工,在機(jī)械制造行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。綜合機(jī)械性能較好是45號(hào)鋼的特性,但其表面硬度低,不耐磨,會(huì)導(dǎo)致國家經(jīng)濟(jì)的損失、工業(yè)設(shè)備的損壞、壞境的污染等眾多不良后果,甚至造成災(zāi)難性的影響,所以研究超聲微沖擊對(duì)45號(hào)表面耐磨性的影響意義重大。韓爽等[2]通過研究超聲加工對(duì)球墨鑄鐵表面粗糙度的影響,發(fā)現(xiàn)超聲加工能顯著降低試樣的表面粗糙度,超聲加工后,試樣表層晶粒明顯細(xì)化,表面硬度提高;王婷等[3-4]通過對(duì)40Cr鋼進(jìn)行超聲表面滾壓加工,發(fā)現(xiàn)如果工藝參數(shù)選擇適當(dāng),試樣的表面粗糙度值可降低至0.2μm以下,對(duì)于潤滑摩擦,USRP處理可以大幅提高材料的表面耐磨性;文獻(xiàn)[5-6]研究發(fā)現(xiàn),在室溫下,45號(hào)鋼經(jīng)超聲振動(dòng)作用,結(jié)構(gòu)組織細(xì)化,珠光體中的板狀滲碳體分解,這一過程造成珠光體和鐵素體在整個(gè)試樣中均勻分布,使材料顯微硬度增加。而目前,對(duì)超聲波模具拋光機(jī)產(chǎn)生的微沖擊作用45號(hào)鋼樣件表面改善表面耐磨性的研究較為少見。

本文使用超聲波模具拋光機(jī)對(duì)磨削后45號(hào)鋼樣件表面進(jìn)行超聲強(qiáng)化處理,研究超聲微沖擊對(duì)45號(hào)鋼表面粗糙度的影響,通過改變磨損時(shí)施加載荷與研磨盤轉(zhuǎn)速,研究分析超聲微沖擊對(duì)45號(hào)鋼表面耐磨性的影響。

1 實(shí)驗(yàn)條件與過程

1.1 超聲加工機(jī)理簡(jiǎn)介

超聲加工技術(shù)是在傳統(tǒng)制造加工技術(shù)中,對(duì)工件或者工具施加沿一定方向的可控的超聲頻振動(dòng)而形成的一種新型加工技術(shù),其具有改善加工工件表面粗糙度和耐磨性、減小加工工具磨損、降低加工區(qū)域溫度及減少切削力等諸多優(yōu)點(diǎn)[7]。

加工時(shí),利用工具端面的超聲振動(dòng),通過磨料懸浮液加工脆硬材料的一種成型方法。加工原理如圖1所示。

加工時(shí),在工具頭9和工件11之間加入磨料懸浮液13,同時(shí)使工具以一定的力作用在工件上。超聲換能器2產(chǎn)生16kHz以上超聲波的縱向振動(dòng),并通過變幅桿5(連接換能器錐體)把振幅放大到0.05～0.1mm左右。驅(qū)動(dòng)工具端面作超聲振動(dòng),迫使磨料懸浮液中的磨粒以很大的速度和加速度不斷的錘擊、沖擊被加工表面,使工件材料被加工下來。與此同時(shí),工作液受工具端面的超聲振動(dòng)而產(chǎn)生的高頻、交變的液壓正負(fù)沖擊波和“空化”作用,加劇了機(jī)械破環(huán)作用。

圖1 超聲波加工方法示意圖

1.冷卻水入口;2.換能器;3.激勵(lì)線圈;4.銀釬料接縫;5.換能器錐體;6.諧振支座;7.冷卻水出口;8.工具錐;9.工具頭;10.磨料粒子;11.工件;12.工件材料碎粒;13.磨料懸浮液;14.變幅桿;15.磨料射流

1.2 工件的磨削與超聲處理

由于考慮到耐磨實(shí)驗(yàn)需要樣件具有很好的平面度,這樣才能保證加載后樣件各點(diǎn)的受力均勻,所以樣件表面需經(jīng)過磨削處理。

實(shí)驗(yàn)中將45號(hào)鋼樣板使用萬能工具磨床進(jìn)行磨削,磨削深度為0.12mm。磨床型號(hào)為M6025K,主軸轉(zhuǎn)速3300r/min,考慮45號(hào)鋼材料屬性的特點(diǎn),選用φ150mm×φ32mm×16mm的棕剛玉砂輪,砂輪粒度60#,其具有韌性高,能承受較大的壓力,工作過程中抗破碎能力強(qiáng)等特點(diǎn)[8]。

再用NDT120表面粗糙度儀進(jìn)行測(cè)量,如圖2所示。由砂輪磨削后45號(hào)鋼樣件表面粗糙度值的預(yù)判范圍確定粗糙度測(cè)量?jī)x的取樣距離為0.25mm×8mm,每個(gè)方向測(cè)量3次,取平均值,作為該方向上樣件的粗糙度值。

圖2 NDT120表面粗糙度儀

將磨削后的樣件表面使用YJCS-6型超聲波模具拋光機(jī)進(jìn)行表面處理,然后測(cè)量表面粗糙度值,用正置金相顯微鏡觀測(cè)表面形貌。超聲拋光機(jī)如圖3所示,性能參數(shù)如表1所示。

圖3 YJCS-6型超聲波模具拋光機(jī)

名稱參數(shù)/材料加工后表面粗糙度Ra/μm0.012(▽13)研磨材料金剛石銼刀、纖維油石和人造金剛石研磨膏聲波頻率/kHz26-35工作電壓/V單向220

超聲處理時(shí)用水作為放電介質(zhì),將竹片夾在變幅桿上作為工具頭,調(diào)整換能器與變幅桿、變幅桿與工具頭螺絲松緊,使竹片得到相對(duì)理想的振動(dòng)幅度,在W14、W7和W3.5的金剛石研磨膏下進(jìn)行超聲研磨、拋光處理,測(cè)量超聲處理后表面粗糙度值,在保證樣件基本等厚的前提下用千分尺測(cè)量其厚度。

工件耐磨性的好壞取決于表面粗糙度的優(yōu)劣,表面粗糙度較差時(shí),表面存在較大波谷,工件對(duì)應(yīng)力集中較敏感,極易產(chǎn)生磨損失效[9]。45號(hào)鋼表面耐磨性主要受表面粗糙度與硬度影響[10],所以耐磨性實(shí)驗(yàn)開始前另取一塊磨削后的樣板用目數(shù)為600、800和1200砂紙進(jìn)行逐級(jí)摩擦處理,最終使兩塊樣板表面粗糙度基本相同,處理后觀測(cè)表面形貌,測(cè)量厚度值。

1.3 耐磨性實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)選用UNIPOL-802型精密研磨拋光機(jī),如圖4所示。

采用鑄鐵盤作為研磨盤,32#機(jī)油作為潤滑油。工作原理如下。

(1)鑄鐵盤盤面有溝槽,溝槽內(nèi)有滴料器滴儲(chǔ)磨料,載樣盤(粘有樣件)與研磨盤做回轉(zhuǎn)磨擦運(yùn)動(dòng)(稱第一磨擦運(yùn)動(dòng))。

(2)載樣盤在支架兩滾輪支撐下,受到研拋盤旋轉(zhuǎn)使載樣盤產(chǎn)生速度差,載樣盤在這一速度差作用下產(chǎn)生自轉(zhuǎn)與研磨盤產(chǎn)生又一種磨擦運(yùn)動(dòng)(稱第二磨擦運(yùn)動(dòng))。

圖4 UNIPOL-802型精密研磨拋光機(jī)

(3)支架在以立軸的中心為擺動(dòng)中心進(jìn)行往復(fù)擺動(dòng),載樣盤中心隨往復(fù)擺動(dòng)也沿著研磨盤做徑向往復(fù)擺動(dòng),這樣又產(chǎn)生一個(gè)磨擦運(yùn)動(dòng)(稱第三磨擦運(yùn)動(dòng))。

樣件在上述三種磨擦運(yùn)動(dòng)作用下進(jìn)行研磨工作。研磨剛開始時(shí)只是部分樣件點(diǎn)參與研磨,隨著時(shí)間延長,參與點(diǎn)越多,待樣件面幾乎全部參與研磨時(shí),高質(zhì)量研磨盤面就復(fù)制到樣件的面上。實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)圖如圖5所示。

圖5 磨損實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

由于磨損過程中應(yīng)將樣件均布在載樣盤上,小樣件均布至少三點(diǎn),這樣才能保證運(yùn)轉(zhuǎn)平衡。所以將經(jīng)超聲處理和經(jīng)砂紙摩擦處理后的樣板用電火花線切割分別切成3塊直徑為8mm的小樣件,并制作載樣盤,如圖6所示。

圖6 載料裝夾盤

為保證相同的工況條件,實(shí)驗(yàn)過程將超聲處理后的3個(gè)小樣件一起裝夾,將砂紙摩擦處理后的3個(gè)小樣件一起裝夾,分別在相同的條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)條件如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)條件指標(biāo)值

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

將磨削與超聲微沖擊所得到的表面沿平行、垂直于紋理方向各測(cè)量3次表面粗糙度,這里稱為橫向粗糙度和縱向粗糙度,取平均值,得到超聲處理前、后樣件的表面粗糙度值。如表3所示。

表3 超聲處理前、后表面粗糙度 μm

由表3可以看出,超聲處理后45號(hào)鋼表面的粗糙度值明顯降低,由數(shù)據(jù)可知,橫向表面粗糙度降低38%,縱向表面粗糙度降低55%。

觀測(cè)超聲微沖擊前后45號(hào)鋼表面形貌,如圖7所示。

經(jīng)過砂輪磨削后的45號(hào)鋼表面,磨削在劃擦、耕梨和切削工件過程中產(chǎn)生大量的切削熱,金屬表面層約10μm到1000μm左右處發(fā)生相變,其硬度與塑性均會(huì)發(fā)生變化。一般將磨削后工件表面呈現(xiàn)黃色或黑褐色斑點(diǎn)作為燒傷的外觀標(biāo)志,這種表面現(xiàn)象是由于在磨削區(qū)瞬時(shí)局部高溫作用下,工件表面呈現(xiàn)氧化層的顏色[11],燒傷破壞了工件表面組織,影響使用性能和壽命。

圖7 超聲處理前、后表面形貌圖

由圖7可以看出,砂輪磨削后的45號(hào)鋼表面燒傷嚴(yán)重,磨削過程中由于受到瞬時(shí)高溫的作用,產(chǎn)生明顯的燒傷痕跡,呈黃、黑色,表面微觀不平度較大,經(jīng)過超聲微沖擊處理后,大量去除了表層燒傷痕跡,并極大改善了表面微觀不平度,原砂輪磨削表面具有許多小而直的磨削槽,超聲處理后,表層凹槽呈正弦狀,所以超聲處理后45號(hào)鋼表面的橫向粗糙度與縱向粗糙度明顯提高。

為了進(jìn)一步探究超聲微沖擊處理對(duì)45號(hào)鋼表面質(zhì)量的影響,用正置金相顯微鏡觀察砂紙摩擦處理后樣件表面形貌,如圖8所示。

圖8 砂紙摩擦處理表面形貌圖

在相同粗糙度的條件下進(jìn)行磨損實(shí)驗(yàn)后,測(cè)量初始磨損點(diǎn)的厚度值與磨損前初始厚度值作對(duì)比,測(cè)量結(jié)果如表4所示。

表4 磨損前后厚度值 mm

由表4可以看出,在相同粗糙度與磨損條件下,超聲處理后的45號(hào)鋼表面經(jīng)磨損后,厚度變化值較小,耐磨性更好。

為了使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加真實(shí)可靠,實(shí)驗(yàn)過程中在保證磨損時(shí)間相同的條件下又增加了幾組對(duì)比實(shí)驗(yàn)。分別是:相同轉(zhuǎn)速,不同加載下,超聲微沖擊處理與砂紙摩擦處理后樣件厚度值變化;相同加載,不同轉(zhuǎn)速下,超聲微沖擊處理與砂紙摩擦處理后樣件厚度值變化。

在研磨盤轉(zhuǎn)速80r/min,磨損時(shí)間4min,加載分別是300g、400g、500g、600g和700g時(shí),不同處理方式的樣件表面經(jīng)磨損后厚度值變化如圖9所示。

圖9 負(fù)載對(duì)磨損厚度的影響

由圖9可知，在研磨盤轉(zhuǎn)速相同的條件下，隨著載重的加大，兩種處理方式所得的45號(hào)鋼樣件表面在磨損實(shí)驗(yàn)后厚度變化值逐漸加大，但超聲處理相對(duì)砂紙摩擦處理所得的45號(hào)鋼樣件厚度變化值較小。

在加載500g,磨損時(shí)間4min,研磨盤轉(zhuǎn)速分別是40r/min、60r/min、80r/min、100r/min和120r/min時(shí),不同處理方式的樣件表面經(jīng)磨損后厚度值變化如圖10所示。

由圖10可知，在載重相同的條件下，隨著研磨盤轉(zhuǎn)速的加大，兩種處理方式所得的45號(hào)鋼樣件表面在磨損實(shí)驗(yàn)后厚度變化值逐漸加大，但超聲處理相對(duì)砂紙摩擦處理所得的45號(hào)鋼樣件厚度變化值較小。

圖10 轉(zhuǎn)速對(duì)磨損厚度的影響

由于研磨盤與載料盤存在速度差,所以實(shí)驗(yàn)過程中樣件從邊緣開始接觸磨損。當(dāng)樣件與研磨盤發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí),在接觸的微凸體間產(chǎn)生了彈、塑性變形及剪切等,造成樣件表面的磨損。即使在有潤滑的條件下,也會(huì)因接觸壓力過大,難以形成穩(wěn)定的油膜。然而隨著磨合期的結(jié)束,微凸體不斷被磨平,促使它們的接觸面積不斷增大,而單位面積的接觸壓力卻隨之減小,油膜得以建立,磨損的劇烈程度大大減緩,逐步向穩(wěn)定磨損階段過渡[12]。

因此,實(shí)驗(yàn)結(jié)果取最終穩(wěn)定磨損位置與初期磨損位置,觀測(cè)表面形貌,如圖11所示。

圖11 磨損后樣件表面形貌圖

由圖11可以看出,在穩(wěn)定磨損位置,經(jīng)過超聲微沖擊處理過后的45號(hào)鋼表面形貌狀態(tài)較好,原正弦狀凹槽大量保留,磨損劃傷較輕,保留了大部分超聲處理所得的光滑表面;而砂紙摩擦處理后的45號(hào)鋼表面原始小而直的凹槽大部分被破壞,表面大部分出現(xiàn)磨損所產(chǎn)生的凹痕;在開始磨損位置,兩種處理方式得到的表面完全被破壞,但可以看出超聲處理后的表面單位面積上磨損破壞較少、較淺。所以說明45號(hào)鋼在經(jīng)過超聲微沖擊強(qiáng)化處理后,顯著提高表面耐磨性能。

3 結(jié)論

(1)超聲微沖擊可以去除45號(hào)鋼磨削表面燒傷形成的氧化膜,改變了表層組織形態(tài)。

(2)超聲微沖擊可以改善45號(hào)鋼表面的微觀不平整度,使單位面積上細(xì)微的起伏和峰谷減少,極大的降低了表面粗糙度值。

(3)經(jīng)超聲微沖擊強(qiáng)化處理后的45號(hào)鋼表面耐磨性能得到提高。