強(qiáng)化研磨中加工參數(shù)對微凹坑形貌的影響*

劉曉初，謝鑫成，張超，康軍輝

( 廣州大學(xué) a.機(jī)械與電氣工程學(xué)院；b.金屬材料強(qiáng)化研磨高性能加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510006)

0 引言

強(qiáng)化研磨是廣州大學(xué)劉曉初提出的一種基于復(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]。在強(qiáng)化研磨加工過程中，軸承表面會產(chǎn)生微凹坑，微凹坑的形貌及面積占比對軸承的摩擦性能有較大的影響。但是不同的加工參數(shù)會直接影響微凹坑的形貌及微凹坑面積占比。

近些年來，對表面微凹坑、表面織構(gòu)的研究逐漸深入。周建忠等[2]研究激光表面微凹坑對AZ31B鎂合金耐腐蝕性能的影響，得到了微凹坑密度越高,AZ31B鎂合金表面的抗腐蝕性能越好。KAWASEGI等[3]研究了微納米溝槽表面刀具，得到了在最小量潤滑條件下表面織構(gòu)減輕了粘刀情況，同時減少了切削力和摩擦力。 MENEZES等[4-5]在傾斜銷—盤滑動試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行鋅銷-鋼盤實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)摩擦因數(shù)受表面粗糙度影響不大，而受表面織構(gòu)的影響比較大。董慧芳等[6]研究軸表面形貌對徑向唇形密封泵吸作用及摩擦特性的影響，得到了三角形微凹坑頂點(diǎn)朝向油液側(cè)的表面能夠增強(qiáng)泵吸作用。楊奇彪等[7]研究了納秒激光加工微凹坑對YG3表面浸潤性的影響。劉小君等[8]研究脂潤滑下表面織構(gòu)對關(guān)節(jié)軸承摩擦特性的影響。王勻等[9]研究了貧油潤滑條件下H13模具鋼表面微凹坑幾何參數(shù)的優(yōu)化。在微造型表面的表征劉小君等[10]從集合的角度，運(yùn)用圖像描述方法，提出了三維表面形貌連通性表征的方法，建立了連通數(shù)、連通指數(shù)的概念以及相應(yīng)的算法。李敦橋等[11]運(yùn)用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的基本原理，分析了模擬規(guī)則凹坑表面的連通性特性。KIM 等[12]發(fā)現(xiàn)在特定的潤滑參數(shù)下，較大的深徑比值的微凹坑具有較好的減摩效果，并且在特定的潤滑參數(shù)下，微凹坑的深徑比對減小摩擦因數(shù)的重要性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于面積率。在已有的微凹坑研究中，沒有對強(qiáng)化研磨中研磨粉隨著鋼球撞擊軸承產(chǎn)生的微凹坑進(jìn)行研究，更不知道微凹坑的形貌與加工參數(shù)的聯(lián)系。強(qiáng)化研磨過程中軸承表面會產(chǎn)生形狀、分布都不規(guī)則的微凹坑。為了探究這種微凹坑，本文分別從橫向(面積占比)和縱向(深度測量)對微凹坑進(jìn)行表征，從而得到強(qiáng)化研磨加工中噴射壓力、噴射時間和研磨料鋼珠質(zhì)量占與軸承表面微凹坑之間的聯(lián)系

1 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)材料

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)設(shè)備采用的是由廣州大學(xué)劉曉初教授自主研制的強(qiáng)化研磨機(jī)，如圖1所示。

圖1 強(qiáng)化研磨機(jī)

1.2 試驗(yàn)材料

強(qiáng)化研磨料使用120#的棕剛玉研磨粉。軸承鋼球是直徑為2mm的軸承鋼丸。強(qiáng)化研磨液成分配比[13]如表1所示。

表1 研磨液成分配比

2 試驗(yàn)方案

在其他加工工藝參數(shù)一定的情況下，改變噴射壓力、噴射時間 以及強(qiáng)化研磨液中鋼珠質(zhì)量占比對軸承內(nèi)圈溝道微凹坑的影響。通過將噴射距離(45mm)，噴射角度、噴頭直徑大小(12mm)、工件轉(zhuǎn)速(140r/min)等參數(shù)設(shè)定為固定值后，對上述三個參數(shù)進(jìn)行單獨(dú)試驗(yàn)，然后對強(qiáng)化研磨后的軸承內(nèi)圈切割并制樣，再通過掃描電鏡并通過測量表征結(jié)果數(shù)據(jù)繪制相應(yīng)的表格與曲線圖表進(jìn)而分析各個參數(shù)在不同參數(shù)值情況下對加工的軸承內(nèi)圈表面微凹坑的影響。

在單獨(dú)分析噴射壓力對加工工件表面微凹坑的影響試驗(yàn)中，設(shè)置5組試驗(yàn)組，編號分別為1～5，噴射壓力分別為0.4MPa、0.5MPa、0.6MPa、0.7MPa、0.8MPa，噴射時間5min，鋼珠質(zhì)量占比80%。

在單獨(dú)分析噴射時間對加工工件表面微凹坑的影響試驗(yàn)中，設(shè)置5組試驗(yàn)組，編號分別為1～5，噴射時間分別為5min、6min、7min、8min、9min，噴射壓力0.6MPa，鋼珠質(zhì)量占比80%。

在單獨(dú)分析鋼珠質(zhì)量占比對加工工件表面微凹坑的影響試驗(yàn)中，設(shè)置5組試驗(yàn)組，編號分別為1～5，鋼珠質(zhì)量占比分別為70%、75%、80%、85%、90%，噴射壓力0.6MPa，噴射時間5min。

3 試驗(yàn)過程

(1)配置強(qiáng)化研磨料

先將研磨液按表1比例進(jìn)行配置，然后將配好的研磨液與研磨粉、軸承鋼球混合并攪拌均勻，最后再將研磨料裝入儲料罐中。

(2)調(diào)整加工參數(shù)

先調(diào)整好固定參數(shù)噴射距離(45mm)，噴射角度，其他參數(shù)分別按試驗(yàn)組要求調(diào)整，再調(diào)整好夾具中的前后支撐，最后再將需要加工的軸承裝上去。

(3)強(qiáng)化研磨加工

打開空壓機(jī)，當(dāng)儲氣罐達(dá)到所需要的壓力值時，打開儲氣罐閥門，開始對軸承進(jìn)行加工，當(dāng)前面一個軸承加工完畢，再從新調(diào)整需要變化的加工參數(shù)，直到加工完全部軸承。

4 結(jié)果及分析

4.1 微凹坑面積占比結(jié)果及分析

先將待測樣品放入掃描電鏡進(jìn)行觀察(見圖2)。為了提高圖像對比度，然后使用HALCON軟件進(jìn)行處理(見圖3)。再選取合適的灰度閾值直到覆蓋原凹坑位置，讀取標(biāo)記區(qū)域像素點(diǎn)個數(shù)(見圖4)，接著讀取整張圖片像素點(diǎn)個數(shù)。最后像素點(diǎn)比值就是微凹坑面積占比。

圖2 待測形貌圖 圖3 預(yù)處理后圖像

圖4 標(biāo)記區(qū)域像素點(diǎn)個數(shù)

用上述方法畫出微凹坑面積占比A隨各強(qiáng)化研磨工藝參數(shù)變化的曲線圖，如圖5～圖7所示。

圖5 面積占比A隨噴射壓力變化曲線圖

圖6 面積占比A隨噴射時間變化曲線圖

圖7 面積占比A隨鋼丸質(zhì)量占比變化曲線圖

觀察圖5凹坑面積占比A在噴射壓力為0.4～0.5MPa時，工件表面的微凹坑較為稀疏，而噴射壓力到達(dá)0.6MPa后，工件表面的微凹坑覆蓋率明顯增大，且再增大噴射壓力后微凹坑覆蓋率并無明顯改變，經(jīng)分析，出現(xiàn)這種情況的原因如下：工件表面的微凹坑主要是部分研磨粉因研磨液的黏性附著在鋼珠上并隨鋼珠一起撞擊工件表面留下的，而噴射壓力較低的情況下，部分包裹有研磨粉的鋼珠并沒有足夠的動能使其表面的研磨粉在工件表面撞擊形成凹坑。

觀察圖6總體上看，表面微凹坑的面積占比和噴射時間是呈非線性的正比關(guān)系，即噴射時間越長工件表面微凹坑的覆蓋率越大，而當(dāng)噴射時間進(jìn)一步加長后的情況，因考慮到實(shí)際加工時的效率問題故不作研究。

通過圖7可觀察到，與前面兩個分析結(jié)果不同，表面微凹坑的面積占比與鋼珠質(zhì)量占比大體上是呈反比關(guān)系，即研磨料中鋼珠質(zhì)量與研磨粉質(zhì)量的比值越大，微凹坑的覆蓋率越小，結(jié)合工件表面微凹坑的形成原因分析可知，一定研磨料中，在鋼珠較多而研磨粉較少的情況下，一方面附著在鋼珠上能撞擊出微凹坑的研磨粉少了，另一方面未附著有研磨粉的鋼珠在撞擊工件表面時有可能會撞擊到已有的微凹坑使其變淺甚至撫平。

4.2 微凹坑深度測量結(jié)果及分析

將加工后軸承套圈用型號為DK7732的電火花線切割設(shè)備切割出合適樣品后放入WYKO NT1000非接觸式三維光學(xué)輪廓儀中進(jìn)行測試，得到的深谷區(qū)容積SV(10-3μm3/mm2)的值和計(jì)算該值與對應(yīng)樣品的微凹坑面積占比A值的比λ，將各比值數(shù)據(jù)繪制成曲線圖，如圖8～圖10所示。

圖8 λ值隨噴射壓力變化曲線圖

圖9 λ值隨噴射時間變化曲線圖

圖10 λ值隨鋼丸質(zhì)量占比變化曲線圖

觀察以上圖中曲線可看到除了圖8中λ值會隨噴射壓力的增大而明顯有所增大外，其他加工工藝參數(shù)變化時λ值并沒有明顯規(guī)律的變化，并且均在一個較小的范圍內(nèi)波動。λ值是深谷區(qū)容積與微凹坑面積占比的比值，因此其值與微凹坑的數(shù)量無關(guān)僅與微凹坑的深度有關(guān)。而微凹坑的深度主要是與附著有研磨粉的鋼珠砸向工件表面時垂直于表面方向上的動能分量大小有關(guān)，因此在噴射角度一定時，鋼珠動能越大，則代表微凹坑深度的λ值越大，這可以解釋除噴射壓力外，噴射時間與鋼珠質(zhì)量占比變化時λ值并沒有明顯規(guī)律變化并在一定范圍內(nèi)波動。

5 結(jié)論

本文分別從橫向(面積占比)和縱向(深度測量)對強(qiáng)化研磨加工后的軸承表面形成的不規(guī)則、隨機(jī)分布的微凹坑進(jìn)行表征，探究了強(qiáng)化研磨加工參數(shù)對軸承表面微凹坑的影響。得到以下結(jié)論：噴射壓力、噴射時間與凹坑面積呈一定的非線性正比關(guān)系，而鋼珠質(zhì)量占比與凹坑面積呈一定的反比關(guān)系，噴射壓力與凹坑深度呈正比關(guān)系，而研磨料鋼珠質(zhì)量占比，噴射時間與凹坑深度無明顯關(guān)系。