磁力研磨18CrNiMo7-6 滲碳淬火鋼外圓面的工藝參數(shù)優(yōu)化

王 棟，常缽陽，王 哲

（鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院抗疲勞制造技術(shù)河南省工程實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450001）

1 引言

18CrNiMo7-6 合金鋼具有優(yōu)良的力學(xué)性能和工藝性能，滲碳淬火后的硬度可達(dá)62 HRC，廣泛應(yīng)用于精密高速重載傳動件，如齒輪、軸承、軸等關(guān)鍵零部件。關(guān)鍵零部件作為高端裝備的核心，目前普遍存在結(jié)構(gòu)重、可靠性差、壽命短等瓶頸問題，為解決這些問題文獻(xiàn)[1-2]提出了抗疲勞制造技術(shù)。抗疲勞制造技術(shù)的核心即“無應(yīng)力集中”，應(yīng)力集中與零部件的表面粗糙度值正相關(guān)，表面越粗糙應(yīng)力集中系數(shù)越大，疲勞壽命越小[3-5]。

材料科學(xué)的發(fā)展對新型的、先進(jìn)的研磨工藝提出了嚴(yán)格的要求，在這些先進(jìn)的研磨工藝中，磁力研磨以其在最小的表面損傷的情況下獲得良好研磨效果的優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)外引發(fā)了眾多學(xué)者的普遍關(guān)注和研究[6-10]。磁力研磨主要由磁力源、磁性磨料、加工對象三部分組成，如圖1 所示。磁力研磨過程中，磁力源產(chǎn)生的磁場使處于加工間隙內(nèi)的磁性磨料有序排列，形成磁性研磨刷，壓覆于工件表面，工件采用雙頂尖定位并隨車床主軸高速旋轉(zhuǎn)，使磁性磨粒與工件表面產(chǎn)生相對運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)對工件表面的研磨加工。磁力研磨加工技術(shù)具有較好的柔性、自適應(yīng)性、自銳性、可控性和溫升小等優(yōu)點(diǎn)，可用于平面、外圓柱面、內(nèi)圓柱面、內(nèi)圓面、細(xì)小管道、不規(guī)則曲面等多種場合。利用磁力研磨對滲碳淬火后的18CrNiMo7-6 合金鋼進(jìn)行光整加工，研究磁力研磨加工的工藝參數(shù)對18CrNiMo7-6 滲碳淬火鋼外圓面表面形貌的影響。

圖1 外圓面磁力研磨示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Excircle Face Magnetic Abrasive Finishing

2 試驗(yàn)

2.1 制備試樣

試驗(yàn)材料為經(jīng)過滲碳淬火處理的18CrNiMo7-6 合金鋼，化學(xué)成分[12]，如表1 所示。具體的熱處理工藝為：920℃滲碳+800℃淬火+180℃回火[11]。

表1 18CrNiMo7-6 的化學(xué)成分Tab.1 Chemical Composition of 18CrNiMo7-6

工件的形狀及尺寸，如圖2 所示。因?yàn)楹饬坎牧媳砻娲植诙葘Σ牧掀趬勖挠绊懶枰M(jìn)行相關(guān)的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞壽命試驗(yàn)研究，因此試樣的形狀與尺寸的選擇參照標(biāo)準(zhǔn)的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣對后續(xù)的研究更具有指導(dǎo)意義，磁力研磨前道工序?yàn)閷υ嚇又虚g圓柱段的WS11 工具磨精密磨削，磨削后表面粗糙度為0.42μm。

圖2 工件尺寸圖Fig.2 Schematic Diagram of Workpiece

2.2 試驗(yàn)方案

磁力研磨試驗(yàn)采用自行設(shè)計(jì)的電磁感應(yīng)器作為磁力源，為增加電磁感應(yīng)器的加工適應(yīng)性及保證磁極表面與工件表面間隙的一致性，電磁感應(yīng)器采用了可更換磁極頭的設(shè)計(jì)；磁性磨料為混合型磁性磨料，其中鐵磁相為鐵粉，研磨相為碳化硅；為保證正交試驗(yàn)中每組試驗(yàn)的粗糙度值都能達(dá)到收斂，取SiC 1500#、碳化硅質(zhì)量百分比30%、鐵粉粒度號120#、磁場強(qiáng)度0.6T、加工間隙1.5mm、工件周向線速度0.3m/s 做單因素試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果，如圖3所示。工件表面粗糙度值在T=25min 時達(dá)到收斂狀態(tài)，因此取作為正交試驗(yàn)組的研磨時間；為了提高拋光質(zhì)量，在拋光過程中引入了由SiC 和蒸餾水混合而成的研磨漿，除了冷卻和潤滑之外，磨料漿還可以補(bǔ)充SiC[13]。研磨漿通過電動攪拌器和定時定量微型蠕動泵供應(yīng)，試驗(yàn)條件，如表2 所示。

表2 試驗(yàn)條件Tab.2 Experimental Condition

圖3 磁力研磨時間對工件外圓面粗糙度的影響Fig.3 The Effect of MAF Time to Excircle Face Roughness

在磁力研磨光整加工中，工件材料、鐵磁相粒度、磁感應(yīng)強(qiáng)度B、磨粒相粒度、鐵磁相與磨粒相混合比例、加工間隙δ、工件表面線速度V、加工時間t、研磨液等工藝參數(shù)都會影響工件的表面質(zhì)量。采用混合正交試驗(yàn)可以通過較少的試驗(yàn)但可以較全面考察其中六個因素（鐵磁相粒度、磁感應(yīng)強(qiáng)度B、磨粒相與鐵磁相混合比例、磨粒相粒度、加工間隙δ、工件線速度V）對磁力研磨18CrNiMo7-6 效果的影響。

查常用正交表可知選取混合正交表最合適，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可知研磨相粒度直接影響加工表面的粗糙度，因此碳化硅粒度號選取六個水平，其余五個因素選取三個水平，混合正交試驗(yàn)中各個因素水平的取值，如表3 所示。電磁感應(yīng)器作為磁力研磨的磁力源，磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化是通過控制通入勵磁線圈中的電流來實(shí)現(xiàn)的，但由于工件材料具有鐵磁性質(zhì)，磁場強(qiáng)度的大小又與磁極與工件間的間隙有關(guān)，因此考察因素為“磁感應(yīng)強(qiáng)度B”而不選取“電流I”，工件表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度分別為0.4 T、0.6 T、0.8 T。

表3 因素水平表Tab.3 Factor Level Table

2.3 試驗(yàn)裝置及測量設(shè)備

試驗(yàn)裝置現(xiàn)場，如圖4 所示。磁力研磨加工前，將工件固定在裝夾與車床三爪卡盤的固定頂尖與車床尾座上的活頂尖之間，精確調(diào)整磁極圓弧表面與工件外圓面間的間隙；打開電源開關(guān)，調(diào)節(jié)電源的電流值到需要的工件表面磁場強(qiáng)度。在磁場的引力作用及輔助轉(zhuǎn)動工件情況下，將油酸與磁性磨料均勻混合后填充于加工間隙中，形成磁性研磨刷；打開微型蠕動泵，待混合均勻的研磨漿滴到磁力研磨加工區(qū)時，開始啟動車床對工件表面進(jìn)行磁力研磨加工。

圖4 試驗(yàn)裝置及加工現(xiàn)場Fig.4 Test Device and Processing Site

進(jìn)行研磨加工之前，通過精密電子天平嚴(yán)格按照正交試驗(yàn)方案的研磨相和鐵磁相各自的粒度號及其質(zhì)量混合比例配置所需的混合型磁性磨料作為備用。進(jìn)行磁力研磨加工之后，對試樣的清洗通過盛滿酒精的超聲波清洗機(jī)完成，然后干燥后工件表面三維表面形貌的相關(guān)參數(shù)通過NPFLEX 三維表面測量系統(tǒng)進(jìn)行測量。

3 結(jié)果及分析

混合正交試驗(yàn)表及每組試驗(yàn)后的工件外圓面三維表面粗糙度值Sa 如表4 所示，其中G 列為空列。由結(jié)果可知，三維表面粗糙度值Sa 達(dá)到最低為0.033μm 的是第8 組試驗(yàn)，其次是第15組、第7 組和第11 組試驗(yàn)，三維表面粗糙度值分別為0.063μm、0.067μm 和0.067μm。

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Orthogonal Test Results

3.1 對三維表面粗糙度Sa 的影響

現(xiàn)通過極差分析法來初步考察各因素對磁力研磨加工后工件三維表面粗糙度Sa 的影響，正交試驗(yàn)的極差分析表，如表5 所示。

表5 極差分析表Tab.5 Range Analysis Table

從表5 中可以看出，六個因素對工件三維表面粗糙度的影響主次順序?yàn)镃＞E＞A＞D＞F＞B＞（G）。其中，因素C 的極差最大，說明鐵粉的粒度號（Fe#）對工件三維表面粗糙度的影響最大，磁性磨料中碳化硅的質(zhì)量百分比（SiC%）對工件三維表面粗糙度的影響最小，但是因素B 的極差大于空列G 的極差，說明誤差對試驗(yàn)結(jié)果的影響較小。把表4 中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入現(xiàn)代質(zhì)量管理統(tǒng)計(jì)軟件Minitab 17[15]，可得圖5 所示的工件表面粗糙度值與各因素的關(guān)系曲線。從圖中可以看出Fe#對工件表面粗糙度的影響最大，當(dāng)Fe#120#時粗糙度值達(dá)到最小。從圖中還可以看出，δ 和SiC#對工件表面粗糙度的影響也比較明顯，隨著SiC#的增大試樣的表面粗糙度值減小，但是超1500#后粗糙度又開始增加，原因是單顆粒鐵粉下的SiC 數(shù)目增加后單顆粒SiC 受力減小，當(dāng)SiC 顆粒受到的研磨力小到一定程度時去除工件表面波紋度的作用減弱，如圖7（c）所示。

圖5 表面粗糙度與各因素的趨勢圖Fig.5 Surface Roughness and Trends of Various Factors

極差分析直觀且容易理解，但無法精確的定量估計(jì)各因素的顯著性差別，因此，通過方差分析對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步分析來彌補(bǔ)極差分析的不足。利用Minitab 17 對表4 中的數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，選擇統(tǒng)計(jì)中的“一般線性模型”，得到的方差分析表，如表6 所示。

表6 全因素方差分析表Tab.6 Full-Factor Analysis of Variance Table

表中：Adj SS—調(diào)整后的偏差平方和；

Adj MS—各因子對應(yīng)的均方差。

由表6 可知只有C 因素的P 值小于0.05，對試驗(yàn)結(jié)果有顯著影響，因此，為提高分析精度，將P 值最大的兩個因素B、F 并入誤差[16]，即在因子項(xiàng)中只選擇“A C D E”，得到的方差分析表，如表7 所示。

表7 主要因素方差分析表Tab.7 Main Factor Analysis of Variance Table

由表7 可知，因素A、C、E 的P 值均小于0.05 為顯著因素，尤其是因素A 的顯著性達(dá)到了0.024，因素D 的P 值為大于0.05，為非顯著因素。

3.2 對表面形貌的影響

磁力研磨加工前后的工件表面粗糙度輪廓曲線，如圖6 所示。其中，原始表面的粗糙度輪廓曲線，如圖6（a）所示。第8 組組試驗(yàn)后的表面粗糙度輪廓曲線，如圖6（b）所示。從圖6（a）、圖6（b）中可以看出磁力研磨加工后工件原始表面的波峰和波谷都被有效的去除了，改善了工件表面的微觀平整性；

圖6 磁力研磨加工前后工件表面的粗糙度輪廓曲線Fig.6 Surface Roughness Profile of Workpiece Before and After MAF

磁力研磨加工前后的三維表面形貌，如圖7 所示。其中，磁力研磨前工件表面的三維表面形貌，如圖7（a）所示。第8 組、第17 組試驗(yàn)后的三維表面形貌，如圖7（b）、圖7（c）所示。從圖（a）中可以看出工件的原始表面波峰和波谷排列密集，高度差Sz較大，約為7.750μm，第8 組試驗(yàn)磁力研磨后工件表面的波峰被全部去除，僅存在極少量波谷，Sz明顯降低，約為1.096μm；第17 組試驗(yàn)磁力研磨后工件表面原始磨削產(chǎn)生的波峰也被完全去除，但是由于磁性磨料的粒徑比很大，受力微弱的單顆磨粒對工件的表面波紋的去除作用微弱。

圖7 磁力研磨加工前后的三維表面形貌Fig.7 Three-Dimensional Surface Morphology Before and After MAF

磁力研磨加工前后工件表面的鏡面效果對比圖，如圖8 所示。左半部分即字母“E”所在部分為第八組磁力研磨后表面，右半部分即字母“S”所在部分為磁力研磨前道工序狀態(tài)表面。從圖中可以看出原始工件表面無鏡面效果，第8 組試驗(yàn)磁力研磨后工件表面鏡面效果非常明顯。

圖8 鏡面效果對比圖Fig.8 Mirror Effect Comparison Diagram

4 結(jié)論

（1）通過觀察磁力研磨前后工件的表面微觀形貌可以看出，磁力研磨加工可有效去除18CrNiMo7-6 滲碳淬火鋼原始外圓表面的磨削劃痕和微裂紋，并達(dá)到良好的鏡面效果；

（2）鐵粉的粒度號（Fe#）、加工間隙（δ）、碳化硅的粒度號（SiC#）對磁力研磨18CrNiMo7-6 滲碳淬火鋼外圓面的三維表面粗糙度影響顯著，其中Fe#影響最大，碳化硅的質(zhì)量百分比（SiC%）、磁場強(qiáng)度、工件表面線速度V 對工件的三維表面粗糙度影響較小；

（3）磁力研磨18CrNiMo7-6 滲碳淬火鋼外圓面的較優(yōu)工藝參數(shù)組合為：碳化硅粒度號800#、碳化硅質(zhì)量百分比35%、鐵粉粒120#、工件表面磁場強(qiáng)度0.6T、加工間隙1 mm、工件表面線速度0.2m/s。