滾拋磨塊物理性能及其對7075 鋁合金滾磨光整加工的影響

王嘉明，石慧婷，高志森，李秀紅，李文輝

（1.太原理工大學 機械與運載工程學院，太原 030024；2.精密加工山西省重點實驗室，太原 030024；3.太原理工大學 航空航天學院，太原 030600）

7075 鋁合金是Al-Zn-Mg-Cu 系合金的代表之一，具有質(zhì)量輕、強度高、耐腐蝕、耐低溫等優(yōu)異特性，作為結構件應用于航空發(fā)動機、工業(yè)機器人、車船用變速箱等高端裝備[1-4]，也廣泛應用于碳纖維生產(chǎn)設備中的溝槽輥、不銹鋼緊固件、自行車配件等[5-7]。提高7075 鋁合金零件的表面光亮度和粗糙度，可改善其裝飾性和耐磨性，并提高其抗疲勞強度和使用壽命。因此，工業(yè)中常對7075 鋁合金零件進行表面光整加工。

滾磨光整加工是滾拋磨塊和液體介質(zhì)以一定的作用力和相對速度對工件表面進行碰撞、滾壓、滑擦和刻劃的微量磨削，以改變工件表面的幾何特征，并綜合改善工件表面完整性的一種工藝[8-10]。滾磨光整加工作為一種表面處理方法，其加工介質(zhì)（滾拋磨塊）會影響加工的最終效果。M. A. Tamarkin 等[11]研究了鋼丸光整加工后試件的表面質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)表面質(zhì)量在指定的工藝范圍內(nèi)，證明了鋼丸光整加工的可行性。Charlotte Subero-Couroyer 等[12]通過沖擊試驗分析了氧化鋁磨塊的顆粒強度和破壞機理，探究了填料、孔隙率和干燥程序等工藝參數(shù)對顆粒強度的影響。閆國進等[13]研究了燒熔陶瓷結合劑剛玉磨具的顯微結構，分析了磨具中的雜質(zhì)特征和磨料與結合劑之間的反應特點。楊乾華等[14]通過磨拋性能試驗，得出磨塊的磨料粒度與磨塊的自磨耗率、加工后工件表面粗糙度呈正相關，與拋磨效率呈負相關的結論。大部分學者僅研究了滾拋磨塊的制備工藝和加工參數(shù)，很少分析磨塊的物理性能（顆粒強度、表面特征、磨耗等）對試件表面質(zhì)量的影響，難以解釋不同磨塊加工極限、加工效率、加工后試件表面形貌不同的原因。

鋁合金材料相比其他金屬材料，化學性質(zhì)較活潑，硬度低，在較高摩擦溫度和接觸應力條件下，摩擦系數(shù)較高[15]，故鋁合金材料的光整加工常使用燒熔和燒結工藝制備的滾拋磨塊。Li Xiuhong 等[8]制備了一種高強度、低彈性模量、變形適應性好的聚氨酯磨塊，并用于鋁合金輪轂的光整加工，有效提高了輪轂的表面質(zhì)量。趙旭東等[16]研究了聚氨酯基材的棕剛玉滾拋磨塊制備工藝，以及磨塊成分對鋁合金樣塊加工效果的影響，得出滾拋磨塊對試件的切削力和磨塊自磨耗率隨棕剛玉含量的提高而增大的結論。申歡等[17]通過滾磨光整加工6061 鋁合金試件，發(fā)現(xiàn)在滾拋磨塊和液體介質(zhì)的耦合作用下，鋁合金試件的表面粗糙度、表面光亮度、耐腐蝕性能提高。石慧婷等[18]從化學反應角度，研究了白陶瓷滾拋磨塊加工7075 鋁合金試件表面的作用機理。

滾拋磨塊作為滾磨光整加工中的重要介質(zhì)，對試件的加工效果影響極大。本文以直徑為4 mm 的白陶瓷、氧化鋁、棕剛玉3 種滾拋磨塊作為研究對象，通過分析7075 鋁合金試件在滾磨光整加工后的表面質(zhì)量，從滾拋磨塊物理性能的角度分析結果出現(xiàn)差異的原因，從微觀角度分析影響試件表面光亮度和材料去除量的主要因素，為進一步研究滾拋磨塊對滾磨光整加工的作用機理提供實驗數(shù)據(jù)支撐。

1 實驗

1.1 滾磨光整加工實驗設備

采用BJL-LL05 立式離心滾磨光整設備對7075鋁合金進行滾磨光整加工實驗，加工設備如圖1 所示。加工設備中放置4 個滾筒，滾筒既繞固定軸公轉，又繞自身軸逆向自轉，形成行星運動[19]。加工過程中，滾筒內(nèi)裝有試件、滾拋磨塊、磨液和水，當滾筒轉動時，試件和磨塊產(chǎn)生碰撞和劃擦，加工試件表面的波峰波谷，去除試件表面材料，實現(xiàn)對試件表面的光整加工。設備參數(shù)見表1。

圖1 立式離心式滾磨光整加工設備Fig.1 Vertical centrifugal barrel finishing equipment

表1 BJL-LL05 實驗設備主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of BJL-LL05 experimental device

1.2 滾拋磨塊及其物理性能

實驗過程中，滾拋磨塊的直徑為4 mm，裝入量為700 mL，材質(zhì)為氧化鋁、白陶瓷、棕剛玉。另加入20 mL HYA+380 mL 去離子水配制的總體積為400 mL的液體介質(zhì)。

1.2.1 顆粒強度

采用DL4 型智能顆粒強度測定儀，對3 種材質(zhì)滾拋磨塊進行顆粒強度測試，測試結果見表2。顆粒強度采用單顆試樣徑向抗壓強度表征，見式(1)。

表2 不同材質(zhì)滾拋磨塊的顆粒強度Tab.2 The particle strength of granular medias of different materials

式中：Pi為單顆試樣徑向抗壓強度，N/cm；Fi為單顆試樣抗壓破碎力，N；Li為樣品直徑，cm。從測試結果可以看出，棕剛玉滾拋磨塊的破碎強度最小，白陶瓷次之，氧化鋁最大。

1.2.2 表面形貌

超景深光學顯微鏡下3 種滾拋磨塊的表面特征如圖2 所示。圖2a 為白陶瓷磨塊超景深顯微結構圖，可以看出，白陶瓷磨塊表面規(guī)整、光滑，不存在圓周缺陷，磨料致密，且分布均勻，存在零星凹坑和氣孔，這是由燒結工藝造成的，不影響其整體的圓度和表面均勻性。圖2b 為氧化鋁磨塊超景深顯微結構圖。相比較白陶瓷來說，氧化鋁磨塊表面分布著較多的凹坑和氣孔，且分布著顏色深淺不一的磨料，磨塊表面磨料均勻性差。圖2c 為棕剛玉磨塊超景深顯微結構圖。磨塊表面分布大量的凹坑和氣孔，磨料大小不一，顏色深淺不一。棕剛玉較大的磨料和粘接劑之間的結合力不大，不能形成致密的磨塊表面，凹坑和磨料分布不均，易造成磨塊磨損。

圖2 超景深顯微鏡下3 種滾拋磨塊的表面形貌Fig.2 Observation of the surface morphology of three kinds of granular blocks with a super depth of field microscope: a)white ceramic grinding block; b) alumina grinding block; c)brown corundum grinding block

1.2.3 磨耗率

不同材質(zhì)滾拋磨塊自磨50 min 的磨耗率情況如圖3 所示。滾拋磨塊磨耗率的計算公式見式(2)。

圖3 不同材質(zhì)磨塊的自磨耗率Fig.3 Self-abrasive wear rate of different material granular blocks

式中：η為磨耗率；m0、m1分別為拋磨前后滾拋磨塊的質(zhì)量，g。

可以看出，白陶瓷磨塊磨粒和結合劑之間的結合力強，磨?；静幻撀洌ズ穆蕛H為0.188%，磨塊壽命長。氧化鋁磨塊的顆粒強度最大，但表面有較多凹坑等缺陷，在自磨過程中會出現(xiàn)應力集中，增加磨耗，其磨耗率高于白陶瓷磨塊，為0.395%。棕剛玉磨塊由于較大的孔隙率和大小不均的磨料，在自磨過程中，會出現(xiàn)應力集中，導致磨塊局部破壞，磨耗率最大，為 1.761%，使用壽命降低；同時孔隙多，導熱系數(shù)差，溫升高，容易產(chǎn)生熱應力，造成磨塊表層顆粒脫落，露出新的顆粒，自銳性和加工效率提高。

1.3 試件材料

實驗試件為7075 鋁合金，成分見表3。加工試件尺寸為20 mm×20 mm×5 mm，由線切割切制而成。實驗前，用砂紙將試件表面打磨至表面粗糙度Ra為(1.200±0.05) μm。

表3 7075 鋁合金的元素成分Tab.3 Element composition of 7075 aluminum alloy wt%

1.4 測試

采用M2 粗糙度儀測試滾磨光整加工后試件的表面粗糙度Ra。該設備的輪廓分辨率為12 nm，測量精度≤±5%。在HSR-2M 往復式摩擦磨損實驗儀上進行摩擦磨損實驗，采用濕式條件，載荷為1 N，行程為5 mm，速度為600 r/min，實驗時間為10 min。計算機將摩擦力矩在線換算為摩擦系數(shù)，經(jīng)位移傳感器測量出磨損深度，并計算出磨損量，用以表征不同材質(zhì)滾拋磨塊對7075 鋁合金試件的摩擦磨損性能。采用TANSCAN VAGA3 型掃描電子顯微鏡（SEM）表征經(jīng)3 種滾拋磨塊滾磨光整加工和摩擦磨損實驗后試件的表面形貌。采用OXFORD 能譜儀（EDS）分析試件表面加工前后的元素變化情況。

2 結果與討論

2.1 滾拋磨塊對鋁合金試件摩擦磨損行為的影響

2.1.1 摩擦系數(shù)和磨損量

不同磨塊作用下，摩擦系數(shù)的變化情況如圖4 所示，磨痕尺寸、磨損量和平均摩擦系數(shù)情況見表4。棕剛玉磨塊由于其顆粒強度較低，結合力小的表層顆粒容易脫落，新露出的顆粒在軟表面滑動時，造成試件表面塑性變形，增加了磨塊和試件表面的接觸面積，摩擦系數(shù)較大，為0.180，試件表面磨損量增加[20]。白陶瓷磨塊表面致密，在對磨過程中，磨液潤滑作用明顯，磨塊和試件表面切削力降低，摩擦系數(shù)較小，為0.146，降低了試件表面磨損量。氧化鋁磨塊雖然顆粒強度較大，但表面凹坑較多，在對磨過程中，凹坑會殘留磨屑，形成第三體磨粒，增加對磨切削力，摩擦系數(shù)變大，磨塊對試件表面的磨損量較大，為0.023 mm3。

圖4 不同磨塊作用下摩擦系數(shù)的變化情況Fig.4 Variation of friction coefficient under the action of different granular blocks

表4 不同磨塊作用下的磨痕尺寸、磨損量和平均摩擦系數(shù)Tab.4 Wear scar size, wear amount and average friction coefficient of different granular medias

2.1.2 磨痕形貌分析

不同材質(zhì)摩擦副下的磨痕形貌和表面元素情況如圖5 所示。從圖5a—c 可以看出，在磨痕表面均存在著大量的微切削痕跡，劃痕兩側存在材料堆積，并殘留較多顆粒狀磨屑，呈現(xiàn)典型的磨粒磨損特征[21]。圖5a 為氧化鋁對磨磨痕，磨痕內(nèi)部分布著多條細而長的犁溝，內(nèi)部散落極少的顆粒狀磨屑，磨痕表面為淺黑色，主要為基體元素。圖5b 為白陶瓷對磨磨痕，磨痕表面為銀白色，磨痕內(nèi)部分布極少顆粒狀磨屑和剝落坑。通過測試點2 得出，磨痕表面主要為基體元素。圖5c 為棕剛玉對磨磨痕，磨痕表面分布著大量的顆粒狀磨屑，劃痕溝槽長而深，磨痕表面發(fā)暗發(fā)灰，氧化現(xiàn)象嚴重。通過測試點3 得出C 元素含量提升，主要是由于磨塊脫落的第二相顆粒參與摩擦磨損，并粘附在磨痕表面。磨痕中亮線區(qū)域Al 元素含量下降，C、O 元素含量上升，導致局部合金成分差異，產(chǎn)生亮線缺陷[22]。

圖5 不同材質(zhì)摩擦副下的磨痕形貌和表面元素Fig.5 Wear scar morphology and surface elements under different material friction pairs: a) effect of alumina on wear scar; b)effect of white ceramics on wear marks; c) effect of brown corundum on abrasion marks; d) test point 1; e) test point 2; f) test point 3

滾拋磨塊對試件表面進行微量劃擦，去除波峰波谷，主要為磨粒磨損形式。滾拋磨塊的表面特征和磨粒磨損的磨損量有關，且不同材質(zhì)滾拋磨塊所產(chǎn)生的磨痕形狀也不相同。磨損過程中，磨塊磨屑的去向有2 種：一種是被液體介質(zhì)沖刷到溶液中，造成磨損量；另一種則殘留在摩擦副中，作為第三體磨粒參與摩擦磨損，如圖5a、b、c 觀察到的顆粒狀碎屑。殘留的第三體磨屑在摩擦力的作用下，對試件磨痕表面進行劃擦和耕犁作用，試件表面易形成淺而長的劃痕，增加磨粒對磨痕表面的去除量，增大接觸面積，如圖5c 所示。由于其接觸表面應力低，屬于低應力二體磨粒磨損[23]。另一方面，磨塊和磨痕表面的摩擦熱會導致材料軟化，產(chǎn)生較大塑性變形，增大了接觸面積，提高了磨損量，在剪切力的作用下，引起摩擦系數(shù)的突然增大。

2.2 滾拋磨塊對鋁合金光整加工效果的影響

2.2.1 表面粗糙度Ra和材料去除量

不同材質(zhì)滾拋磨塊對表面粗糙度Ra和表面粗糙度下降率ΔRa的影響曲線如圖6a 所示。ΔRa的計算公式見式(3)，其中，Ra1、Ra2分別為光整加工前后試件的表面粗糙度。

前10 min，棕剛玉磨塊的加工效率最快，Ra從1.153 μm 下降至0.452 μm，下降率為65%左右；氧化鋁和白陶瓷磨塊加工速率基本一致，Ra下降至0.585 μm，下降率為50%左右。10～30 min，棕剛玉和白陶瓷磨塊仍具備較強的加工能力，粗糙度值分別下降至0.334、0.381 μm；氧化鋁磨塊加工效率緩慢，Ra基本不變。40～50 min，3 個試件表面粗糙度出現(xiàn)了不同程度的波動。相比較其他2 種磨塊來說，加工初始Ra為1.200 μm 的鋁合金試件，棕剛玉磨塊具備較高的加工效率和較低的加工極限，在去除材料上更具有優(yōu)勢，說明較低顆粒強度的磨塊在加工此粗糙度試件時作用明顯。

不同材質(zhì)滾拋磨塊對試件材料去除量的影響曲線如圖6b 所示。從圖6b 可以看出，滾拋磨塊的加工能力越強，試件的材料去除量越大，相同時間內(nèi)去除量增加越快。由于棕剛玉磨塊較強的加工能力，在0～50 min 內(nèi)，試件的材料去除量最大，且一直在增加。而白陶瓷和氧化鋁磨塊加工試件的材料去除量依次經(jīng)過快速滾磨階段、均勻滾磨階段、光飾滾磨階段，呈現(xiàn)先快后慢的規(guī)律[24]。

圖6 不同材質(zhì)磨塊作用下試件表面粗糙度和材料去除量的變化情況Fig.6 (a) Changes of the roughness value and (b) material removal of the specimen under the action of different material granular blocks

棕剛玉磨塊由于其較大的孔隙率及大小不均的磨料，導致較低的顆粒強度，提高了加工效率，在0～10 min 內(nèi)Ra下降斜率明顯大于其他2 種磨塊。較低的顆粒強度導致磨塊表面不斷磨損，粘結力較弱的磨粒被剝落，新的顆粒不斷出現(xiàn)，并加工試件表面的凹坑、凸峰，增加了試件的材料去除量，表面粗糙度值下降快[25]。白陶瓷和氧化鋁磨塊中磨粒和磨塊母體之間的結合力較大，自銳性差，顆粒強度大，加工過程中，磨塊對試件波峰波谷的去除能力有限，所獲得的加工極限較高。

2.2.2 表面光亮度

不同材質(zhì)磨塊加工鋁合金試件后，試件表面光亮度情況如圖7 所示。圖7a 為氧化鋁磨塊加工后試件表面的光亮度，試件表面反射出來的字母邊緣較模糊，試件表面發(fā)暗，光亮度適中。圖7b 為白陶瓷磨塊加工后試件表面的光亮度，加工后，試件金屬光澤提高，反射出的字母清晰，且顏色深，具有良好的鏡面效果，相比較其他2 種磨塊來說，光亮度最好。圖7c 為棕剛玉磨塊加工后試件表面的光亮度，試件表面反射出來的字母很模糊，沒有清晰的界限，整個表面發(fā)暗發(fā)灰，光亮度很差。

圖7 不同材質(zhì)磨塊加工后試件表面光亮度情況Fig.7 The surface brightness of the test piece after processing of granular medias of different materials: a) alumina grinding block; b) white ceramic grinding block; c) brown corundum grinding block

滾磨光整加工過程中，磨液的主要作用之一是清洗。磨液中的活性劑可吸附各種磨屑，減緩磨屑的擴散，使掉落的磨料顆粒沉降下來，起到對試件表面清洗的效果。但在不同材質(zhì)磨塊加工條件下，磨液對試件表面的清洗效果是有限的。棕剛玉磨塊加工過程中，粉塵脫落的現(xiàn)象較嚴重，脫落的微小顆粒混雜在磨液中，并粘附在試件表面，導致試件表面呈現(xiàn)出棕剛玉磨塊本身的灰度，遠遠降低了磨液的清洗效果。同時，棕剛玉磨塊較高的機械作用和液體介質(zhì)的氧化作用，造成試件表面缺陷，使得試件表面不光亮。氧化鋁和白陶瓷磨塊的顆粒強度高，在滾磨過程中，顆粒基本上不會脫落或者很少脫落，對試件表面的光亮度影響較小。在液體介質(zhì)的清洗作用下，試件表面雜質(zhì)被去除，露出金屬本身的光澤，表面光亮度提高。

2.2.3 表面形貌和元素變化

不同材質(zhì)磨塊加工后，試件微觀形貌及元素變化情況如圖8 所示。圖8a 為氧化鋁磨塊加工后試件表面的微觀形貌。加工后，試件表面平整，存在部分溝痕和大小不一的白斑。通過對白斑（測點4）的元素測試，發(fā)現(xiàn)Fe 元素質(zhì)量分數(shù)上升到18.12%，出現(xiàn)了Fe 元素的堆積。這是由于滾磨光整加工使得7075 鋁合金基體的亞表層材料發(fā)生塑性變形，晶粒細化，晶粒在被拉長的同時，晶間夾雜物和第二相也被拉長或者拉碎，晶界邊緣析出Fe 相，在摩擦力的循環(huán)作用下，聚集于試件表面，形成白斑[26-27]。試件表面的溝痕和白斑是該試件表面光亮度不如白陶瓷加工試件好的原因。

圖8b 為白陶瓷加工后試件表面的微觀形貌。加工后，試件表面平整，溝痕少，只有少量的黑色點坑。通過測試點5 的元素，Al、O 元素的質(zhì)量分數(shù)分別為49.95%、39.24%，說明黑色點坑主要為金屬氧化物富集，認為試件表面光亮度與表面氧化物的多少有關。

圖8c 為棕剛玉加工后試件表面的微觀形貌。加工后，試件表面分布著大量的凹坑和顆粒。通過對顆粒（測點6）進行元素測試，其C、O 元素質(zhì)量分數(shù)分別達到了20.85%和41.86%，表明棕剛玉磨塊在進行滾磨光整加工時，使得磨屑和磨塊第二相磨粒嵌套在凹坑內(nèi)，并發(fā)生了氧化反應，較多的凹坑、碳化物和金屬氧化物造成加工后試件表面光亮度很差。

圖8 不同材質(zhì)磨塊加工后試件微觀形貌及元素變化情況Fig.8 The microscopic morphology and element changes of the specimens after processing of granular blocks: a) alumina; b)white ceramic; c) brown corundum; d) test point 4; e) test point 5; f) test point 6

經(jīng)摩擦磨損試驗后，測試點1、2 的元素含量（圖5d、e）和基體元素基本一致，但棕剛玉摩擦磨損過后，磨痕內(nèi)部有很多磨屑顆粒和長而窄的溝痕。測點3 的結果（圖5f）表明，C、O 元素含量均有提升，C 的質(zhì)量分數(shù)達到了18.75%，說明C、O 元素提升是由于磨屑粘附造成的，進而導致試件表面光亮度較差。

3 結論

本文基于3 種不同材質(zhì)（棕剛玉、白陶瓷、氧化鋁）的滾拋磨塊，探究了顆粒強度、磨耗率、表面形貌3 種物理性能對7075 鋁合金滾磨光整加工效果的影響。主要得出如下結論：

1）白陶瓷磨塊表面規(guī)整，磨料致密，且分布均勻，顆粒強度為3504.3 N/cm，磨耗率僅為0.188%；氧化鋁磨塊中磨料和結合劑結合緊密，顆粒強度為4677.0 N/cm，磨塊表面分布著較多的凹坑和氣孔，易產(chǎn)生應力集中，磨耗率為0.395%；棕剛玉磨塊表面分布著大小不均的磨料，顆粒強度僅為1197.1 N/cm，磨料和結合劑之間結合力較弱，磨耗率最大，為1.761%。

2）加工初始表面較粗糙的鋁合金試件，白陶瓷磨塊加工效率及加工極限適中，加工后試件表面無缺陷，表面光亮度最好；棕剛玉磨塊加工效率高，且極限粗糙度值低；白陶瓷磨塊的顆粒強度較大，磨耗率小，提高了液體介質(zhì)的清洗和冷卻作用，試件表面光亮度好。

3）白陶瓷磨塊加工后，試件表面主要為基體元素和部分氧化物，露出了金屬光澤，提高了鏡面效果；氧化鋁磨塊在加工過程中，試件亞表層材料發(fā)生塑性變形，晶間夾雜物和第二相被拉長或者拉碎，晶界邊緣析出Fe 相，形成白斑，降低了試件表面光亮度；棕剛玉磨塊加工后，試件表面凹坑缺陷嚴重，第二相雜質(zhì)顆粒粘附在凹坑內(nèi)并發(fā)生氧化作用，降低了試件表面光亮度。