利用磨料流去除空心滾子內(nèi)孔氧化皮的試驗(yàn)研究

于吉鯤，孫旭，吳鳴宇

(1.大連海洋大學(xué)，遼寧 大連 116300；2.龍巖學(xué)院，福建 龍巖 364000)

1 概述

目前，應(yīng)用于軋機(jī)領(lǐng)域的大型滾動(dòng)軸承由于在鋼材軋制過(guò)程中承受載荷大，導(dǎo)致軸承中主要承載的滾動(dòng)體受力較大。為提高軸承承載能力，多選用空心滾子，通過(guò)支柱穿過(guò)空心滾子，并與保持架采用焊接的方式連接[1]。支柱焊接保持架在重載工況下會(huì)出現(xiàn)滾動(dòng)體或滾道表面的疲勞失效，除保持架鉆孔不齊和焊接應(yīng)力造成的支柱偏斜外，與空心滾子連接的支柱孔內(nèi)表面氧化皮去除不凈引起的剝落、表面磨損也會(huì)造成軸承疲勞失效[2-4]。為減少滑動(dòng)摩擦對(duì)滾子的損害，通常采用噴砂或手工方法去除空心滾子內(nèi)孔氧化皮，但加工效率低，很難實(shí)現(xiàn)均勻去除，還對(duì)工人和環(huán)境造成較為惡劣的影響。

磨料流加工方法最早由美國(guó)研究者提出[5-6]，該方法采用液壓機(jī)作為動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，單向或雙向反復(fù)擠壓黏彈性的流體磨料，使磨料在壓力作用下快速與工件的表面產(chǎn)生摩擦，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工件表面的磨拋，其加工原理如圖1所示[7]。本文主要應(yīng)用磨料流技術(shù)對(duì)軸承空心滾子內(nèi)孔表面的氧化皮進(jìn)行去除試驗(yàn)。

1—夾具；2—上料缸；3—工件；4—黏彈性磨料；5—下料缸；6—擠壓活塞。

磨粒作為磨料流加工的磨削介質(zhì)，其粒度和濃度對(duì)氧化皮的去除效果有著重要影響，在進(jìn)行磨料流壓差調(diào)節(jié)及截面匹配等試驗(yàn)前，應(yīng)根據(jù)不同的加工表面選擇合適的磨粒。文獻(xiàn)[8-10]選用不同粒度和濃度的黏彈性磨料對(duì)不同材質(zhì)工件表面的氧化皮進(jìn)行擠壓去除，磨料流的磨粒特性研究結(jié)果表明：不同加工方法獲得的工件表面應(yīng)該選擇不同粒度的磨粒對(duì)氧化皮進(jìn)行去除；采用磨料流加工法對(duì)于電火花加工后在工件表面所生成氧化皮的去除效果最佳。另外，隨著循環(huán)加工次數(shù)的增多，表面粗糙度Ra變化趨于恒定[11]。

2 試驗(yàn)

針對(duì)某特大型軋機(jī)軸承空心滾子在熱處理后滾子內(nèi)孔氧化皮去除難的問(wèn)題，利用自主研發(fā)的磨料流機(jī)床進(jìn)行研磨試驗(yàn)。該磨料流加工設(shè)備的加工原理如圖2所示，磨料流加工主要依靠2個(gè)液壓缸對(duì)稱往復(fù)擠壓半固態(tài)流體磨料介質(zhì)，穿過(guò)由工件與夾具形成的密封流道，磨料與工件表面產(chǎn)生相對(duì)摩擦，從而實(shí)現(xiàn)磨拋加工。加工過(guò)程中利用上下壓板將工件固定，通過(guò)調(diào)整上下壓板的間距改變工件的數(shù)量，該設(shè)備一次最多可以加工7個(gè)型號(hào)相同的工件。

1—下液壓缸；2—下磨料缸；3—下壓板；4—7個(gè)工件；5—上壓板；6—磨料；7—上液壓缸；8—活塞；9—上磨料缸；10—液壓站。

空心滾子試樣材料為GCr15，尺寸為φ60 mm×φ18 mm×60 mm。由于在熱處理過(guò)程保護(hù)氣氛的作用下，熱處理后可以清晰地看到厚薄不均勻的黑色氧化皮，且去除困難?？招臐L子線切割后主要尺寸及內(nèi)孔表面的氧化皮如圖3所示。

圖3 熱處理后空心滾子的主要尺寸及內(nèi)孔表面

磨料流加工常用磨料有碳化硅、立方氮化硼、氧化鋁和金剛砂?；谏鲜?種磨料的材料去除特性，選擇碳化硅黏彈性磨料作為磨削介質(zhì)進(jìn)行試驗(yàn)[12]。為驗(yàn)證磨料粒度對(duì)加工表面的加工效果，選擇220目(粒徑65 μm)和46目(粒徑330 μm)的碳化硅磨料，在用磨料擠壓空心滾子時(shí)，采用“穿膛過(guò)”式的擠壓方式，且不設(shè)置背壓(在工件末端處不設(shè)置與磨料流流動(dòng)方向相反的壓力)。通過(guò)調(diào)節(jié)夾具的開(kāi)口壓力使推程和回程的擠壓壓力皆為6.5 MPa，背壓壓力為2.0 MPa，磨料完成1次往復(fù)運(yùn)動(dòng)需18 s，循環(huán)擠壓設(shè)為50次，總加工時(shí)間為15 min。加工完成后利用線切割機(jī)將空心滾子切開(kāi)進(jìn)行觀察。

3 結(jié)果及討論

3.1 磨料粒度對(duì)氧化皮去除效果的影響

采用220目和46目的碳化硅黏彈性磨料去除氧化皮的對(duì)比效果如圖4所示：采用粒度較細(xì)的220目碳化硅磨料時(shí)，磨料流的磨料粒子呈漿體狀而無(wú)法識(shí)別個(gè)體磨料，加工后工件表面仍有少量氧化皮殘留，且分布不均勻；采用粒度較粗的46目碳化硅磨料時(shí)，磨料流的磨料粒子幾乎肉眼可見(jiàn)，加工后氧化皮已經(jīng)完全去除，漏出金屬表面本體。由于磨料流是一種柔性微刃切削，當(dāng)碰到硬點(diǎn)時(shí)會(huì)主動(dòng)退讓，當(dāng)目數(shù)較小且被拋光表面較粗糙時(shí)，磨粒從表面滑過(guò)并不起切削作用或切削深度微小，而選用粒度較粗的磨粒，在表面可以充分地進(jìn)行滑擦、耕犁、翻滾，完成切削過(guò)程，氧化皮的去除效果好。

圖4 不同粒度的磨料對(duì)空心滾子內(nèi)孔表面氧化皮的去除效果

3.2 內(nèi)孔表面粗糙度的建模分析

在磨料流加工中，假定工件內(nèi)表面輪廓均勻，初始表面粗糙度為Ra0，并且磨料在壓力作用下沿工件內(nèi)孔的軸線方向往復(fù)移動(dòng)，劃痕方向上的峰谷粗糙度Rt0與算術(shù)平均表面粗糙度Ra比值恒定。假定Rai為第i次加工后獲得的內(nèi)孔表面粗糙度，其模型可由(1) 式計(jì)算，即

(1)

式中：N為單位面積作用的磨料的磨粒數(shù)量；ls為加工行程；Rw為磨料流的半徑；Rc為磨料缸的內(nèi)徑；dg為磨粒的直徑；t為材料去除深度。由(1)式可知當(dāng)工件內(nèi)表面較粗糙時(shí)，材料去除深度較大，應(yīng)采用較大的磨粒直徑。若想獲得高精度內(nèi)表面，磨粒直徑應(yīng)隨工件表面粗糙度的變化及時(shí)調(diào)整，采用多階段磨料流加工，根據(jù)每個(gè)加工階段后工件表面粗糙度，逐漸減小磨料直徑。

3.3 磨料流加工對(duì)內(nèi)孔表面粗糙度的影響

表面粗糙度作為表面完整性的一個(gè)重要指標(biāo)，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量起著決定性作用。通過(guò)試驗(yàn)可以看出磨料流加工時(shí)，游離態(tài)的碳化硅磨粒對(duì)GCr15軸承鋼滾子內(nèi)表面粗糙度具有很好的改善效果。利用接觸式探針對(duì)磨料流加工后的滾子內(nèi)孔表面粗糙度進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如圖5所示：隨著氧化皮的去除，內(nèi)孔表面粗糙度Ra值均明顯下降。內(nèi)孔表面經(jīng)過(guò)15 min磨料流加工后，采用46目磨粒時(shí)，Ra由初始的4.60 μm降至1.00 μm；而采用220目的磨粒時(shí)，Ra僅降至1.63 μm。由此可見(jiàn)，選擇合適的磨粒目數(shù)對(duì)表面的加工精度和加工效率起到至關(guān)重要的作用。

圖5 磨料流加工前后滾子內(nèi)孔表面粗糙度

3.4 進(jìn)出口處的過(guò)拋現(xiàn)象

在上述無(wú)背壓的“穿膛過(guò)”磨粒流加工條件下，將加工后的工件線切割開(kāi)，可以明顯看出進(jìn)出口處的尺寸d1大于中間區(qū)域的尺寸d0，并形成“喇叭口”。出現(xiàn)該結(jié)果的主要原因是由于黏彈性磨料在出口處的突然擠入與釋放時(shí)形成的擠壓壓力過(guò)大，從而在工件兩端出現(xiàn)嚴(yán)重的過(guò)拋現(xiàn)象，嚴(yán)重影響空心滾子的尺寸。為避免“喇叭口”的形成，應(yīng)該控制進(jìn)出口的壓差，使磨粒流在加工過(guò)程中實(shí)現(xiàn)均勻的擠壓運(yùn)動(dòng)。因此，在擠壓過(guò)程中對(duì)磨粒流施加一個(gè)回程壓力，即背壓P2與“穿膛過(guò)”式(背壓P2為零)的情況相比，在擠壓過(guò)程中增加磨料流回程壓力，可以降低壓力在進(jìn)出口處的突變，實(shí)現(xiàn)進(jìn)出口處壓力的小壓差調(diào)節(jié)，從而有效抑制“喇叭口”的形成，其原理如圖6所示。

圖6 小壓差與無(wú)壓差調(diào)節(jié)拋光出口處對(duì)比分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證背壓下磨料流對(duì)空心滾子內(nèi)孔進(jìn)口與出口氧化皮的擠壓去除效果，分別將背壓設(shè)定為0，2.0 MPa進(jìn)行20次循環(huán)的磨料流加工。試驗(yàn)后測(cè)量空心滾子的端口處直徑，結(jié)果如圖7所示：采用無(wú)背壓“穿膛過(guò)”式磨料流加工后的徑口直徑為20.112 mm，而采用2.0 MPa背壓后的徑口直徑為19.120 mm。為確保加工后滾子內(nèi)孔的尺寸，在加工過(guò)程對(duì)磨料流施加適當(dāng)?shù)谋硥海捎行б种七^(guò)拋現(xiàn)象。

圖7 無(wú)背壓及背壓調(diào)節(jié)下端口倒圓情況

3.5 加工效果對(duì)比

基于上述試驗(yàn)結(jié)果，將磨料流去氧化皮方法與傳統(tǒng)手工和噴砂去氧化皮進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表1，采用磨料流加工方法去除氧化皮的經(jīng)濟(jì)性和加工質(zhì)量均明顯優(yōu)于其他2種，且磨料流加工法更環(huán)保，但加工效率略低于其他2種。

表1 手工、噴砂與磨料流去除氧化皮成本和加工效率對(duì)比

4 結(jié)論

針對(duì)空心滾子內(nèi)孔表面氧化皮的去除難題，利用磨料流加工法去除內(nèi)孔氧化皮，獲得了較為理想的加工效果，且磨料粒度對(duì)表面的加工質(zhì)量至關(guān)重要。通過(guò)試驗(yàn)與研究得出以下結(jié)論：

1)將碳化硅磨粒作為黏彈性流體磨料介質(zhì)應(yīng)用于磨料流加工中，加工質(zhì)量較高，且可有效去除內(nèi)孔表面的氧化皮。

2)采用的黏彈性碳化硅磨料粒徑應(yīng)與被去除氧化皮表面相匹配，若去除氧化皮較厚且表面較粗糙的毛坯面，應(yīng)選用較粗氮化硅磨粒；若去除氧化皮較薄且表面較光滑，則需選用超細(xì)碳化硅磨粒。

3)隨著氧化皮的去除，滾子內(nèi)孔表面粗糙度顯著降低。若延長(zhǎng)加工時(shí)間(增加加工循環(huán)次數(shù))并選擇合適的粒度，內(nèi)孔表面粗糙度完全可以實(shí)現(xiàn)納米級(jí)的精密加工。

4)利用磨料流加工法去除空心滾子內(nèi)孔氧化皮，由于黏彈性磨料在出口處的突然擠入和釋放時(shí)形成的擠壓壓力過(guò)大，從而導(dǎo)致“喇叭口”現(xiàn)象的形成。在擠壓過(guò)程中增加磨粒流回程壓力，可以有效抑制“喇叭口”的形成。

5) 與傳統(tǒng)手工和噴砂加工法相比，采用磨粒流加工方法去除氧化皮在經(jīng)濟(jì)性、加工質(zhì)量、綠色加工等方面的優(yōu)勢(shì)更顯著。