主軸式滾磨光整加工參數(shù)對加工效果的影響

王 娜，楊勝強，曹 波，趙 愷

（1.太原理工大學(xué)機械與運載工程學(xué)院，山西 太原 030024，2.精密加工山西省重點實驗室，山西 太原 030024）

1 引言

滾磨光整加工技術(shù)[1]是機械加工領(lǐng)域的一類基礎(chǔ)性制造工藝技術(shù)，指在提高零件表面質(zhì)量，改善零件表面完整性，屬于精密和超精密加工的范疇。在眾多零件表面特種加工技術(shù)中，滾磨光整加工技術(shù)[2-5]因其與表面質(zhì)量完整性需求切合度高、加工零件性能好、加工范圍適用性強以及加工設(shè)備簡單等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于高性能零件和復(fù)雜型面零件的表面處理中。文獻[6]指出世界范圍內(nèi)的機加工零件，約有50%采用滾磨光整加工工藝對零件表面質(zhì)量以及零件表面完整性進行提高和改善。滾磨光整加工工藝需要考慮加工對象及要求、加工設(shè)備及參數(shù)、滾拋磨塊類型及形狀和尺寸大小、化學(xué)劑等基本要素，各要素之間相互影響、相互制約，因此，滾磨光整加工工藝系統(tǒng)是一個復(fù)雜系統(tǒng)。目前，人們針對各種光整加工設(shè)備中工藝參數(shù)對于工件加工效果的研究日漸增多，其中，文獻[7]對臥式離心滾磨光整加工設(shè)備加工板材單面及雙面進行了實驗研究，得到了不同工藝參數(shù)對于工件表面完整性的影響；文獻[8]通過測量振動光飾機不同加工位置處工件表面粗糙度值，提出一種提高中小薄壁片狀零件表面質(zhì)量的貼壁式振動光飾加工方法；文獻[9]針對臥式振動式滾磨光整加工非自由狀態(tài)工件加工效果進行了試驗研究，得出該工藝加工工件的最佳位置位于滾拋磨塊表層；文獻[10]針對主軸式滾磨光整加工過程中滾拋磨塊作用力進行了測試與分析，結(jié)果表明工件距離滾筒筒壁越近或沒入滾拋磨塊深度越深，則磨塊與工件之間的接觸力越大；文獻[11]則針對主軸式滾磨光整加工中滾拋磨塊與工件之間的法向接觸力進行了模擬分析，模擬結(jié)果表明接觸力隨著工件沒入磨塊深度的增大而增大。

現(xiàn)階段，提高高端裝備制造的關(guān)重件表面質(zhì)量多采用主軸式滾磨光整加工方式。即，被加工工件裝夾固定在回轉(zhuǎn)主軸上，加工時，工件伸入裝有一定量滾拋介質(zhì)并做回轉(zhuǎn)運動的滾筒中，工件主軸與滾筒主軸平行并保持合適的距離。這樣，通過滾拋介質(zhì)與工件表面之間的碰撞、滾壓、滑擦和刻劃等微量磨削作用，從而提高零件表面質(zhì)量和表面完整性。通過對各學(xué)者研究內(nèi)容的閱讀與總結(jié)發(fā)現(xiàn)：人們目前尚未對主軸式滾磨光整加工設(shè)備在不同尺寸磨塊下的工件加工效果進行分析研究。

針對立式主軸式滾磨光整加工，研究加工過程中磨塊尺寸、加工位置以及接觸力大小對于工件表面加工效果的影響。首先選用不同尺寸的球形磨塊對（34×20）mm不銹鋼直角鋼片進行加工，測量加工后的位于不同裝夾位置處的工件表面平均粗糙度值并采用超景深三維顯微鏡觀測工件加工前和加工后的表面加工紋理；確定出主軸式滾磨光整加工中的最優(yōu)磨塊加工尺寸、最佳裝夾位置范圍；研究磨塊與工件之間的接觸力大小對加工效果的影響。

2 實驗測試

2.1 實驗條件

實驗以實際應(yīng)用的主軸式滾磨光整加工設(shè)備為基礎(chǔ)，在原有設(shè)備基礎(chǔ)上設(shè)計搭建了裝有縮小比例后的滾筒實驗平臺，探究磨塊尺寸、接觸力大小以及加工位置對工件表面加工效果的影響。實驗裝置圖，如圖1所示。其中，回轉(zhuǎn)滾筒為內(nèi)徑216mm、高210mm的不銹鋼（0Cr18Ni9）筒，磨塊裝入量為滾筒容積的60%，每次實驗滾筒轉(zhuǎn)速設(shè)置v=100r/min。

圖1 實驗裝置圖Fig.1 Experimental Equipment Installation

實驗滾拋磨塊平均直徑分別采用D1=3.0670mm（標(biāo)準(zhǔn)差S.D.1=0.0760）、D2=4.0648mm（標(biāo)準(zhǔn)差S.D.2=0.0770）、D3=5.0644mm（標(biāo)準(zhǔn)差S.D.3=0.0527）、D4=6.0742mm（標(biāo)準(zhǔn)差S.D.4=0.0480）、D5=8.0395mm（標(biāo)準(zhǔn)差S.D.5=0.0594）、D6=10.0307mm（標(biāo)準(zhǔn)差S.D.6=0.0492）的棕剛玉球形磨塊，如圖2所示。加工過程中使用具有研磨、拋光、光飾等作用的滾拋磨塊介質(zhì)（浸泡24h）和具有清洗、發(fā)泡、潤滑、腐蝕、軟化等作用的磨液和水的混合物進行加工。

圖2 滾拋磨塊Fig.2 Barrel Finishing Abrasive

2.2 工件及工件裝夾

（34×20）mm不銹鋼直角鋼片工件，采用不同尺寸的磨塊對該類試件進行加工，如圖3所示。加工前，首先用砂紙打磨工件表面，使得粗糙度值均保持在1μm左右，以滾筒中心軸為z軸、滾筒底面為xoy平面，建立直角坐標(biāo)系，選取距離滾筒中心軸距離x=75mm為工件裝夾徑向位置，沿主軸方向選取三個加工位置，對每次實驗分別編號為imm～j Location（表示磨塊尺寸，j（l，2，3）表示位置編號），每個加工位置進行三組重復(fù)實驗，其中，Location 1～z=75mm，Location2～z=65mm，Location 3～z=55mm，工件裝夾裝置示意圖，如圖4所示。

圖3 不銹鋼工件Fig.3 Stainless Steel Test Piece

圖4 工件裝夾裝置示意圖Fig.4 Schematic Diagram of Workpiece Clamping Device

2.3 接觸力測試裝置

對滾拋磨塊與工件之間接觸力大小進行測試，考慮實驗以測試工件與滾拋磨塊之間正面接觸力為目的，以及壓力傳感器信號傳輸?shù)目煽啃?，加工過程中主軸固定不動。傳感器位置通過兩個內(nèi)外相套的鋼管（內(nèi)管直徑15mm，外管直徑30mm）上下調(diào)節(jié)，將傳感器固定于內(nèi)管的外壁上（文中工件即為固定傳感器內(nèi)管），傳輸線穿過內(nèi)管以減少振動，該裝置可以解決傳輸線放置問題且可保證數(shù)據(jù)傳輸相對穩(wěn)定。實驗采用型號為501F01的動態(tài)力傳感器（北京一洋應(yīng)振測試技術(shù)有限公司）、DH5902堅固型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（江蘇東華測試技術(shù)股份有限公司）以及計算機進行滾拋磨塊與工件之間的接觸力數(shù)據(jù)的采集。設(shè)置動態(tài)力傳感器靈敏度為10.0mV/N，測試量程為50N，采樣頻率為5000Hz。實驗時始終保持傳感器正面與滾筒中心軸共面，對滾拋磨塊與工件之間的正面接觸力進行測試，接觸力量測試位置與工件裝夾中心位置一致，每個采樣點分別進行3次有效測試，動態(tài)力測試裝置示意圖，如圖5所示。

圖5 動態(tài)力測試裝置示意圖Fig.5 Schematic Diagram of Dynamic Force Test Device

3 實驗結(jié)果分析

3.1 滾拋磨塊尺寸及裝夾位置對加工效果的影響

加工完畢，將使用型號為PerthometerM2的表面粗糙度儀測量工件得到的表面粗糙度平均值以及VHX-700FC型超景深三維顯微鏡測得的工件表面加工紋理作為評價工件表面加工效果的指標(biāo)。每組實驗分別對工件加工10min、20min、30min、40min、50min，每次加工結(jié)束對工件不同位置處表面粗糙度值進行多次測量并求平均值。以Location 1處第1組和Location 2處第1組工件在各時間段的表面粗糙度平均值變化曲線為例，分析可知當(dāng)加工時間大于30min后，工件表面粗糙度值波動不大，且加工40min相對為最佳加工時間，如圖6所示。

圖6 工件表面粗糙度曲線Fig.6 Surface Roughness Curve of Workpiece

所有工件加工40min之后得到的表面粗糙度平均值對比圖，如圖7所示。由圖7可知，滾拋磨塊尺寸為3mm時，加工結(jié)束后工件表面粗糙度平均值在0.3um左右，滾拋磨塊尺寸為10mm時，加工結(jié)束后工件表面粗糙度平均值達到0.65um左右，隨著滾拋磨塊尺寸的增加，工件表面粗糙度值降低的越少。當(dāng)D=3mm或者D=4mm時，加工得到的工件表面粗糙度明顯優(yōu)于D＞4mm時，在Location1和Location3處使用或磨塊加工工件，可使工件表面平均粗糙度降低到0.254um左右，加工效果明顯優(yōu)于Location 2處。

圖7 不同尺寸磨塊加工條件下不同位置處工件粗糙度值Fig.7 Roughness Values of Workpieces at Different Positions Under Different Processing Conditions

采用超景深三維顯微鏡觀測工件加工前和加工后的表面加工紋理分別，如圖8、圖9所示。通過對圖8和圖9中不同尺寸磨塊加工下的工件表面紋理進行對比分析，可明顯看出未加工前可見工件表面具有明顯細密單向刀痕，加工后的工件表面紋理平整，方向呈現(xiàn)多向分布。磨塊尺寸為D=3mm或D=4mm加工效果好，D=5mm時次之，當(dāng)D＞5mm時加工效果比較差。工件位于Location 1時，上表面滾拋磨塊活動較活躍，使得工件表面刀痕去除較完整，表面均勻性最好；工件位于Location 3時，刀痕去除較好，表面均勻性較好；工件位于Location 2時，工件表面質(zhì)量有所改善，但表面均勻性差。結(jié)果表明：磨塊尺寸越小，與工件表面接觸的磨塊基數(shù)大，工件表面加工效果越好；加工位置以及磨塊流場對于加工效果有顯著影響。

圖8 加工前工件表面三維電控超景深顯微圖Fig.8 Three-Dimensional Electronically Controlled Super Depth of Field Micrograph of the Workpiece Surface Before Processing

圖9 加工后工件表面三維電控超景深顯微圖Fig.9 Three-Dimensional Electronically Controlled Super Depth of Field Micrograph of the Workpiece Surface After Processing

3.2 接觸力對加工效果的影響分析

接觸力測試結(jié)束后，考慮實驗過程中噪聲對實驗數(shù)據(jù)的影響，利用haar算子對信號圖像進行小波降噪處理，滾筒轉(zhuǎn)速達到100r/min時，當(dāng)滾拋磨塊直徑D=4mm時，距離中心軸x=75mm，距離桶底z=75mm處工件接觸力原始信號與通過1級haar小波去噪之后的重構(gòu)信號對比圖，如圖10所示。由圖可知，去噪后的信號接觸力值明顯小于原始信號接觸力值。壓電式傳感器受到滾拋磨塊作用力之后表面發(fā)生形變，為驗證傳感器受壓后壓力輸出值的正負，實驗前輕按傳感器，受壓后的傳感器傳輸負壓力值，正壓力值為卸載后的傳感器表面彈性恢復(fù)力。根據(jù)傳感器本身特性，對去噪后的接觸力測試值進行處理，去除正壓力值，保留負壓力值并求平均值，不同尺寸滾拋磨塊加工條件下，工件所受的平均接觸力大小，如表1所示。

圖10 原始信號與去噪信號對比圖Fig.10 The Comparison Between the Original Signal and the Denoised Signal

表1 不同磨塊加工不同裝夾位置處接觸力大小實驗測試結(jié)果（N）Tab.1 The Experiment Results of the Contact Force at Different Positions of Different Abrasive（N）

結(jié)合表1、圖7以及圖10可知，當(dāng)D<6mm時，磨塊與工件之間接觸力較小，當(dāng)D≥6mm時，磨塊與工件之間的接觸力迅速變大。隨著磨塊尺寸的增加，磨塊與工件之間接觸力逐漸增加，工件表面加工效果反而越差；隨著加工深度的增加，磨塊與工件之間接觸力也逐漸增加，工件中心距離滾桶底部z=75mm時，磨塊運動較活躍，工件表面均勻性最好，z=55mm時，接觸力較大，表面均勻性較好；z=65mm時，表面均勻性反而較差。因此，接觸力大小與加工效果之間不成比例關(guān)系，加工效果的好壞可能還受工件材料屬性以及滾筒轉(zhuǎn)速等因素的影響。鑒于并未對此內(nèi)容做出相應(yīng)研究，該工作將作為下一步的研究方向。

4 結(jié)論

針對立式主軸式滾磨光整加工，采用不同大小磨塊加工工件，通過實驗測試工件表面加工效果的分析，得出以下結(jié)論：

（1）不同尺寸磨塊加工工件，磨塊尺寸越小，工件表面粗糙度越小、表面微觀形貌紋理越平整、表面均勻性越好。

（2）工件裝夾位置對于加工效果有顯著影響，當(dāng)工件裝夾于距離填充磨塊表面中上部時，表面加工效果最好。

（3）磨塊與工件之間的接觸力大小隨著磨塊尺寸以及加工深度的增大而增大，加工效果受接觸力大小以及磨塊流場的影響，但加工效果與接觸力大小不成比例關(guān)系。

（4）鑒于該研究針對不銹鋼直角鋼片進行實驗分析研究，并未考慮工件加工效果與工件材料屬性以及滾筒轉(zhuǎn)速等因素之間的關(guān)系，該想法的提出將作為下一步的研究內(nèi)容。