振動光飾工藝參數(shù)與表面形貌關聯(lián)規(guī)律試驗研究

摘要：【目的】振動光飾加工作為一種精密加工技術，已廣泛應用于汽車變速器、工業(yè)減速器、精密儀器等領域的高精度齒輪制造。振動光飾可降低表面粗糙度，提高基礎零部件的表面完整性。為了揭示振動光飾工藝參數(shù)與表面粗糙度之間的關聯(lián)規(guī)律，對齒輪鋼材料圓柱滾子開展了振動光飾試驗?！痉椒ā吭O計并進行了多種工藝參數(shù)下的振動光飾試驗，研究了噴丸表面振動光飾加工表面形貌演化規(guī)律，探討了加工時間、磨粒形狀、磨粒尺寸、振動頻率對形貌演變的影響規(guī)律。【結果】結果表明，表面粗糙度隨加工時間增加而下降的速度均遵循先快后慢的趨勢，且粗糙度下降到某一“閾值”會趨于穩(wěn)定；斜三角、斜圓柱、球形磨粒表面鋒利程度依次遞減，但表面更為平坦的球形磨粒加工后的表面質量更好；在不考慮幾何約束的情況下，磨粒尺寸越大，粗糙度下降的速度就越快；表面質量隨著振動頻率的增加而呈現(xiàn)“山峰”形趨勢，40 Hz 和50 Hz 振動頻率下加工效果較好。

關鍵詞：振動光飾；表面形貌；加工時間；磨粒形狀；磨粒尺寸；振動頻率

中圖分類號：TG706 DOI：10. 16578/j. issn. 1004. 2539. 2025. 02. 016

0 引言

隨著航空齒輪的性能要求不斷提升，在航空齒輪加工的工程應用中，常會在磨削后引入噴丸強化工藝。噴丸工藝帶來的最直觀表現(xiàn)是殘余應力水平的提升。學者研究發(fā)現(xiàn)，噴丸不僅能提升工件的殘余壓應力水平，而且能夠提升表面顯微硬度，使疲勞性能參數(shù)得到明顯改善[1-2]。噴丸是依靠丸粒對工件表面進行的強烈撞擊使之產生塑性變形，容易留下彈坑，使得表面凹凸不平，因此，噴丸工藝在給工件帶來高殘余壓應力的同時，也會伴隨出現(xiàn)較高的表面粗糙度。通常，噴丸后的航空齒輪三維表面粗糙度Sa在0. 4 μm以上[3]，處于較高的粗糙度水平，而高性能航空齒輪表面完整性參數(shù)要求Sa在0. 25 μm以下。因此，亟需對航空齒輪進行精密光整加工，使之具有較高的表面質量和較低的表面粗糙度，這將對航空齒輪的服役性能產生巨大的影響。

振動光飾加工是一種新型的精密加工技術。該技術通過高頻機械振動的作用，利用自由拋光顆粒在工件表面形成復雜隨機運動，使拋光顆粒與工件表面發(fā)生多點接觸和微小撞擊，從而實現(xiàn)對工件表面的磨光和拋光效果。與傳統(tǒng)拋光方法不同，振動光飾加工具有拋光速度快、加工熱影響小的優(yōu)點。毛建波等[4]以某型發(fā)動機的二級壓氣機轉子葉片為試驗對象，研究了振動光飾與噴丸工藝對葉片抗疲勞強度的提升效果，發(fā)現(xiàn)振動光飾是依靠提高零件的表面光潔度來提高疲勞壽命的。王迪[5]使用振動光整加工，針對微型薄壁回轉零件表面進行了試驗研究，發(fā)現(xiàn)拋光后的效果明顯，有效去除了表面的氧化皮、表面缺陷和窄縫中的毛刺飛邊，滿足薄壁回轉零件超光滑表面的加工需求。

振動光飾加工過程涉及多個工藝參數(shù)，不同的工藝參數(shù)組合會導致不同的加工效率和最終表面質量。WONG等[6]以振動槽的振動頻率為唯一變量，將表面粗糙度、材料去除率與工藝時間聯(lián)系起來，得出隨著工件的表面粗糙度接近粗糙度閾值、材料去除率降低的結論。PANDIYAN等[7]為了提高振動光飾的效率，分析了增加振動頻率和振幅的影響，通過對比二者的粗糙度變化，指出振幅效應在變參數(shù)試驗中占主導地位，而增加頻率可以改善介質的循環(huán)。

綜上可知，振動光飾加工中，振動頻率、振幅、拋光介質等參數(shù)的選擇和實時控制對最終加工質量有直接影響。工件表面形貌的變化受到許多因素的影響，如工件的固定或運動、振動槽內磨料的裝填比例、液體介質與磨料的體積比、工件的放置位置等。但振動光飾加工參數(shù)匹配關系復雜，選擇和控制難度較大，因此，很有必要通過試驗探究振動光飾加工時間、磨粒形狀、磨粒尺寸、振動頻率等工藝參數(shù)對表面形貌演變的影響規(guī)律。

1 試驗設計

振動光飾過程中，磨粒是與工件接觸的直接刀具，磨粒的選取將極大影響加工效率與最終表面形貌。據(jù)了解，當前振動光飾設備生產企業(yè)針對工藝參數(shù)的優(yōu)化主要是進行磨粒選型，可見磨粒在振動光飾加工中的作用至關重要。在金屬加工領域，常用的磨粒分類及適用場景如表 1所示。

同一種類的磨?？煞譃椴煌男螤?、大小和粒度，需要根據(jù)細化的加工需求進行選取。一般磨粒的選擇遵循以下4個步驟：

1） 根據(jù)零件加工要求（去毛刺、改善表面狀態(tài)、提高粗糙度等級），初步選擇磨塊類型和適用設備。

2） 根據(jù)零件表面狀態(tài)、粗糙度基礎以及加工方式選擇磨塊功能種類。

3） 根據(jù)零件表面溝槽、孔等特殊位置，調整選擇合適的磨塊。

4） 根據(jù)零件材質及特殊要求選擇磨液。

除了磨粒的類型與幾何參數(shù)，影響表面形貌變化的參數(shù)還有振動光飾設備的振動頻率、振動幅度等。

本文設計了3組單因素試驗，選取直徑50 mm、寬9 mm的9310航空齒輪鋼滾子工件為試驗對象，如圖1所示。9310鋼的化學成分如表2所示[8]。噴丸后的滾子表面粗糙度Sa分布在0. 7～0. 9 μm。振動光飾試驗設備采用圖2所示的BJG-ZXC3300振動光飾系統(tǒng)，工件加工時均被置于振動槽底部。根據(jù)已有的磨粒條件，確定磨料材料為棕剛玉。磨料形狀選取球形、斜圓柱和斜三角。磨粒尺寸在適用于滾子尺寸的加工前提下，選取3 個水平：① 球形磨粒直徑為4 mm；② 斜三角磨粒分別為2 mm×2 mm、4 mm×4 mm 和6 mm×6 mm；③斜圓柱形磨粒為4 mm×8 mm。

振動頻率設定為40～50 Hz，每隔2 Hz為1個參數(shù)水平；設置加工時間為0～5 h。具體加工參數(shù)設置如表3所示。工件1、2、3作為對照組只改變磨粒形狀；工件3、4、5作為對照組只改變磨粒尺寸；工件7加工變化的參數(shù)為振動頻率。通過6個試驗分別研究了加工時間、磨粒形狀、磨粒尺寸、振動頻率對表面形貌變化規(guī)律的影響。

為了保證表面形貌隨時間變化數(shù)據(jù)初始條件的一致性，0～5 h的加工均在同一個滾子工件上進行（圖3）。在振動光飾加工開始前，將單個滾子劃分為6個區(qū)域，每個區(qū)域用膠帶封住。進行第1個小時的加工時，去除一個區(qū)域的膠帶；進行第2個小時的加工時，再次去除一個區(qū)域的膠帶。以此類推，首先去除膠帶的區(qū)域可以加工5 h；第二個去除膠帶的區(qū)域可以加工4 h；在同一個滾子工件上實現(xiàn)0～5 h的加工。改變振動頻率的試驗區(qū)域劃分與上述規(guī)則相同。

2 結果與討論

振動光飾試驗完成后，使用Contour GTK型白光干涉儀對每個被加工區(qū)域進行形貌測量。每個加工區(qū)域隨機取4個1 mm×1 mm采樣區(qū)域，最終表面粗糙度為4個采樣區(qū)域粗糙度的平均值。

雖然試驗滾子的振動光飾加工前工藝相同，但仍有0. 1～0. 2 μm的粗糙度值差距，在進行分析計算時不可忽略。為了更加準確地表達被加工表面粗糙度的降低水平，在工藝參數(shù)影響形貌演變規(guī)律的研究中，采用當前三維表面粗糙度與初始三維表面粗糙度的比值來表征當前表面粗糙度水平，即

Sare = Sa／Sa0（1）

式中，Sare 為相對粗糙度值（取值范圍0～1）；Sa 為當前粗糙度值；Sa0 為初始粗糙度值。

2. 1 加工時間對表面形貌的影響規(guī)律

選取粗糙度下降幅度最大的試驗組1分析噴丸表面形貌隨振動光飾時間的演變規(guī)律。各個加工時間下的表面微觀形貌如圖4所示。

可以發(fā)現(xiàn)，在加工開始前，初始表面為典型的噴丸工藝形貌，表面布滿了彈丸沖擊后留下的大小不一的彈坑；通過色階可以看出，最高點與最低點高度差接近7 μm，粗糙度較大，不滿足齒輪服役所要求的表面粗糙度要求。經過1 h振動光飾加工后，可以明顯看到，噴丸表面高度較高的部分材料優(yōu)先被去除掉，與初始表面相比，最大高度下降顯著；而后幾個小時的加工中，最大高度的下降比較小，反映出在振動光飾前期階段材料去除得快，粗糙度的下降也較快。加工時間到第2個小時，大部分區(qū)域已表現(xiàn)得較為平坦，仍有少部分彈坑被保留，但深彈坑已變?yōu)闇\彈坑。振動光飾3 h后，已難以發(fā)現(xiàn)表面上留下的噴丸痕跡，表面變得更加平坦，整體伴隨著較小的高度起伏。當加工時間達到4 h 或5 h，表面并沒有變得更加平坦光滑，同時，表面上甚至出現(xiàn)了更小的微凸體，均勻地分布在加工表面上。這種現(xiàn)象出現(xiàn)的原因是磨粒表面由多個微小顆粒構成，磨粒本身所具有的粗糙度造成了工件表面的微小凸峰。第3、4、5 h的形貌大致相似，表面上布滿了更小尺寸的微凸體，粗糙度穩(wěn)定在某一范圍內上下浮動，說明在該工藝參數(shù)下，3個小時的光整加工即能達到穩(wěn)定的粗糙度。

噴丸表面振動光飾加工5 h內的三維形貌變化體現(xiàn)了振動光飾加工過程的材料去除規(guī)律。即在起始階段，高度較高的微凸體優(yōu)先參與接觸，凹坑部分則不會有接觸；隨著時間的推移，所有的微凸體被削平，加工表面上只殘留有凹坑部分；當加工時間再增加，表面凹坑間的材料也開始參與接觸并且被去除；當凹坑間的材料被去除完畢，整個平面都會受到磨粒的劃擦?？偟膩碚f，材料的去除符合由上及下的規(guī)律，初始階段材料的去除位置受到初始表面形貌的約束，某一時刻去除的材料受到此刻表面形貌的約束。

在實際振動光飾加工中，表面微觀形貌的平坦度并不會一直增加，在第3 h及以后保持穩(wěn)定，三維粗糙度甚至出現(xiàn)了些許上升的現(xiàn)象，根本原因是燒結型磨粒表面上的粗糙形貌限制了工件表面的進一步平整，隨著加工時間的增加，造成了工件的過度磨損；若采用表面粗糙度更小的燒結型磨粒，引入的新微凸體尺寸也會更小。表1介紹的金屬磨粒表面質量好，適用于有色金屬的表面光整，相比于高溫燒結型磨粒，其表面更加平坦，將其應用于齒輪鋼的加工，可能更具有降低表面粗糙度的優(yōu)勢。

2. 2 磨粒形狀對表面形貌的影響規(guī)律

對控制磨粒形狀變化的試驗組1、2、3的加工后形貌數(shù)據(jù)進行整理，圖5所示為粗糙度Sa隨時間的變化情況。其粗糙度下降速度均是先快后慢，將數(shù)據(jù)擬合得到變化曲線，3組數(shù)據(jù)的變化情況最接近指數(shù)下降規(guī)律。磨粒形狀分為斜三角、斜圓柱、球形，它們的表面鋒利度依次遞減，但最后所得到的表面平整性卻依次變好。尤其是斜圓柱和球形磨粒，在加工時間達到3 h之后就趨于穩(wěn)定，幾乎不再降低。從圖5中可以看出，測量的多個點在閾值左右“徘徊”，且球形磨粒加工的表面粗糙度閾值相比斜圓柱形磨粒加工的表面粗糙度閾值要更低一些，球形磨粒閾值在0. 13 μm左右，斜圓柱形磨粒閾值在0. 24 μm左右。而由斜三角形磨粒加工的工件表面在第5 h仍未到達粗糙度閾值，需要更長的時間才能達到穩(wěn)定的光飾表面。

圖6所示為3種磨粒下的表面粗糙度數(shù)據(jù)的歸一化結果。3種磨粒對初始表面的改善程度差別較大，與實際粗糙度變化情況相似，有相同的規(guī)律。其中，球形磨粒最低粗糙度能夠達到原始粗糙度的20%；斜圓柱形磨粒最低粗糙度能夠達到原始粗糙度的34%；斜三角形磨粒最低粗糙度在前5 h內僅達到原始粗糙度的43%。

對采用球形和斜圓柱形振動光飾加工的試驗結果進行分析可知，在這兩種工藝參數(shù)下，3 h的光整加工就已經達到了最低粗糙度，尤其是球形磨粒加工的表面粗糙度達到了0. 15 μm以下，取得了較好的加工效果，若再進行更長時間的加工，不僅不能提升表面粗糙度水平，甚至會出現(xiàn)表面完整性變差的現(xiàn)象，這不僅造成了資源的浪費，使得加工效率低下，而且不利于最佳加工效果的獲取。因此，在工程實際中，為了實現(xiàn)高效率高精度加工，需要注意加工時間的設定，必要時可開展更加細分的變加工時間振動光飾試驗，如每隔半小時進行一次形貌及粗糙度的測量，以獲取最佳的加工時間參數(shù)設定，避免資源的浪費。

2. 3 磨粒尺寸對表面形貌的影響規(guī)律

對控制磨粒尺寸變化的試驗組3、4、5的加工后形貌數(shù)據(jù)進行整理，得到實際測量粗糙度隨時間的變化情況，如圖7所示。可以發(fā)現(xiàn)，3種磨粒下粗糙度隨時間下降的趨勢依然遵循先快后慢的原則，且呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律，即磨粒的尺寸越大，最終的表面形貌就越好。采用6 mm×6 mm尺寸磨粒加工的工件，其初始粗糙度相比其他兩種尺寸的磨粒加工的工件表面粗糙度要更大，為0. 910 μm，而最終的表面粗糙度卻為三者中最小，可見磨粒尺寸對振動光飾加工過程表面完整性的影響較為明顯。采用2 mm×2 mm、4 mm×4 mm、6 mm×6 mm尺寸磨粒加工的工件在第5 h 的表面粗糙度分別為0. 352 μm、0. 362 μm、0. 255 μm。在3種磨粒尺寸加工下，3種表面在前5 h內均沒有達到粗糙度閾值，但觀察擬合曲線，6 mm×6 mm尺寸磨粒加工下的表面在第5 h已接近于閾值。

圖8所示為不同磨粒尺寸下的表面粗糙度數(shù)據(jù)的歸一化結果。3種磨粒對初始表面的改善程度差別仍較大，且與對實際粗糙度的影響規(guī)律相似。6 mm×6 mm 磨粒最低粗糙度能夠達到原始粗糙度的28%；4 mm×4 mm磨粒最低粗糙度能夠達到原始粗糙度的43%；2 mm×2 mm磨粒最低粗糙度在前5 h內僅達到原始粗糙度的48%。

根據(jù)上述結果分析，可以發(fā)現(xiàn)：磨粒的尺寸越大，所獲得的最終加工表面粗糙度就越小，表面完整性越好；且在前期的粗糙度下降速度較快階段，較大尺寸的磨粒擁有更快的粗糙度下降速度，即短時間內表面的改善效果越明顯。但對于航空齒輪這類零件，在選取光整加工的磨粒尺寸時，并不能一味地選取較大尺寸的磨粒。由于齒輪是復雜曲面零件，其齒間縫隙較小，大尺寸的磨粒在與某個齒面接觸時，其運動可能還會受到相鄰齒的影響，使得磨粒的流動性降低，磨粒在齒間的流動速度降低，最終雖能獲得更低的表面粗糙度，但是加工效率大打折扣；若磨粒尺寸進一步增大，甚至會出現(xiàn)磨粒與齒面難以接觸的問題，此時則不會有表面完整性改善的效果。根據(jù)KOLGANOVA等[9]關于孔型零件振動光飾磨粒尺寸選擇方面的研究可以推論，齒間間隙寬度至少應為磨粒特征直徑的3倍，當?shù)陀谶@個比例時，就有可能出現(xiàn)加工過程中磨粒互相干擾，造成磨粒堵塞的現(xiàn)象。因此，針對不同尺寸的航空齒輪，需選定合適尺寸的磨粒，以達到較高的加工效率和最終加工效果。

2. 4 振動頻率對表面形貌的影響規(guī)律

對控制光飾機振動頻率變化的試驗組6加工后得形貌數(shù)據(jù)進行整理，圖9所示為在只改變振動頻率參數(shù)下實際測量粗糙度的變化情況。可以發(fā)現(xiàn)，折線圖呈現(xiàn)“山峰形”變化。隨著振動頻率的增大，經過5 h的振動光飾加工，最終粗糙度先增大后減小，在振動頻率為46 Hz時，表面的改善效果最差，為0. 458 μm；在振動頻率分別為40 Hz和50 Hz時，得到的表面質量較好，均在0. 2 μm以下。

在第2. 2節(jié)和第2. 3節(jié)關于磨粒形狀與磨粒尺寸對振動光飾加工影響規(guī)律的研究中，均聚焦于磨粒這個微型刀具。在加工時選取不同形狀與尺寸的磨粒，實質上是對刀具參數(shù)的選取。本節(jié)主要研究的是振動頻率對加工效果的影響，振動頻率作為振動系統(tǒng)的重要參數(shù)，它能夠影響到磨粒在振動槽中與加工零件的相互運動，最直觀的體現(xiàn)是對相對作用力和相對運動速度的大小有影響。因此，對振動頻率的調控實質上是對刀具運動的間接調控。由于大量磨粒在振動槽中的運動過于復雜，振動參數(shù)與磨粒運動之間的關聯(lián)規(guī)律尚未建立，只能通過試驗的手段來研究振動參數(shù)與加工效果之間的關系。

與其他工藝參數(shù)對最終加工表面完整性線性變化的影響規(guī)律不同，振動頻率的選取在可變的范圍內，選取較大值或較小值均能取得不錯的加工效果，反而取中間值獲得的加工效果較差。但在實際加工中并不能直接選擇較大或較小的振動頻率，還需要考慮機器本身的性能約束，因為過小的頻率會導致產生共振以至于損壞機器，頻率過大則會影響機器的穩(wěn)定性。

3 結論

設計并進行了多種工藝參數(shù)下的振動光飾試驗，研究了噴丸表面振動光飾加工表面形貌演化規(guī)律，探討了加工時間、磨粒形狀、磨粒尺寸、振動頻率對形貌演變的影響規(guī)律，獲得以下主要結論：

1） 噴丸表面振動光飾粗糙度隨時間增加而下降的速度均遵循先快后慢的趨勢，且粗糙度下降到某一“閾值”，會趨于穩(wěn)定不再下降，整體符合指數(shù)下降規(guī)律。

2） 斜三角、斜圓柱、球形磨粒表面鋒利程度依次遞減，但粗糙度下降速度與最后所獲得的表面質量依次變好，表面越平坦的磨粒的加工效果越好。

3） 在已有的試驗條件下，磨粒尺寸越大，粗糙度下降的速度就越快，5 h內對原始表面的改善程度也越好。

4） 經歷5 h振動光飾加工后的表面質量并不隨著振動頻率的增加而呈現(xiàn)單一趨勢變化，而是呈現(xiàn)“山峰形”趨勢，在46 Hz時的表面加工效果最差，40 Hz和50 Hz振動頻率下加工效果較好。

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基金項目：國家自然科學基金項目（U22B2086）