强化研磨加工中喷射压力对工件表面粗糙度的影响

陶建华，包佑文，刘华，刘晓初

(广州大学 机械与电气工程学院，广州 510006)

强化研磨技术是一种基于复合加工方法的使金属材料具有抗疲劳、抗腐蚀、抗磨损特性的精密加工技术，集强化塑性加工和研磨微切削于一体的“强化研磨加工”新方法。通过喷管将混有高强度喷丸的强化研磨液高压喷射到工件表面，对表面进行随机等概率的碰撞，其中喷丸使其表面层发生弹塑性变形，并产生残余压应力，同时，喷丸对工件表面进行初次磨削；研磨粉在高压作用下与工件表面产生横向作用力，对工件表面进行微切削；并伴随有强化液的悬浮、冷却、清洗及润滑等一系列复杂作用，从而达到对工件表面的强化和研磨的效果。与传统加工方式相比，强化研磨技术还具有耗能少、成本低、效益好等优点，顺应了现代加工的需要，也是未来发展的一种趋势。

1 机理分析

强化研磨加工过程中，由于喷丸的作用使得工件表面发生塑性变形，在加工初期其所产生的变形量比磨料的切削量要大，故须首先考虑喷丸对工件表面的作用效果。

喷丸在高压的作用下经喷管喷射到工件表面，工件表面不断受到高速喷丸的撞击而被压缩。在材料相同的情况下，假设加工中每颗喷丸喷出的速度相同，则其与工件表面发生碰撞时所产生的能量也可以看作是相同的，忽略其他因素的影响，在工件的弹性区域内，根据弹性能的计算公式E=kx2/2可知：工件表面每次受到撞击时的压缩量也近似相等(图1)，即在工件表面留下直径小于喷丸直径的球冠形凹坑，被喷面的外形由大量球坑包络，如图2所示[1]。通常喷射压力越大，喷丸获得的能量就越大，喷丸作用于工件表面所产生的凹坑就越深，但与强化研磨加工前一道工序相比，工件表面则变得整齐了许多。

图1 工件塑形变形图

图2 喷丸

混有磨料粒子的强化研磨液经高压泵加速后经喷管喷出，以极高的速度射向被加工工件表面。由于磨料粒子与工件之间具有快速的相对运动，使工件表面受到很大的冲击力、剪切力等作用，从而将材料去除，即借助磨料粒子与工件表面之间的相互作用(高速碰撞剪切作用)达到去除材料的目的。当磨料粒子喷射在喷丸喷射后所形成的圆弧形轮廓的上升沿时(图3)，则工件表面的凸起部分被切削，表面趋于平整；当磨料粒子喷射在喷丸喷射后形成的圆弧下降沿时，由于喷射方向与下降的方向相同(同向)，则磨料对工件表面起磨削、划擦光滑的作用[2]。因此，在此阶段，喷射压力越大，强化研磨液中位于工件表面圆弧轮廓上升沿的研磨料切削作用越大，而位于下降沿的研磨料与工件表面的作用也更强烈，容易刮伤工件表面。

图3 磨粒喷射

随着强化研磨加工的持续进行，喷丸的喷射深度随着工件达到其屈服强度而不断降低[3]，工件表面形成的凸起也渐趋平整，凹凸差变得越来越小，工件表面的圆弧形凸起不断被切削，工件的几何形状误差、表面粗糙度得到逐步改善，喷射压力对工件表面粗糙度的影响越来越小，直至达到要求的加工精度。

2 试验

2.1 试验及检测装置

强化研磨加工试验用的主要设备为轴承套圈无心强化研磨机。该机由电磁无心夹具系统、强化研磨料高压喷射与回收集成系统、高压喷头三维调节机构、安全防护装置、机架及其附件、操作界面及控制系统等构成。

加工工件的表面粗糙度采用日产OLS4000型奥林巴斯激光共聚焦显微镜检测，以多次测量的Ra平均值作为该工件的表面粗糙度值。

2.2 试件

本试验所用试件为经过热处理和精加工后的角接触球轴承外圈，材料为GCrl5轴承钢，外径为72.00 mm，硬度为60～62 HRC。

2.3 强化研磨液及配方

工业加工中使用的强化研磨液一般由强化钢丸、研磨粉和强化液等组成[4-6]，其中强化丸以铸钢丸和轴承钢丸居多。同时由于钢丸尺寸大小会直接影响工件表面的粗糙度，故通常将各种尺寸钢丸混合使用。

在此将2种共7个尺寸的钢丸混合使用进行试验，钢丸尺寸及其配比见表1。试验研磨粉采用3种不同型号的棕刚玉按一定配比混合，强化液则采用乙二醇胺溶液、洗洁精和水按一定配比混合均匀。研磨粉及强化液成分见表2。

表1 强化钢丸的尺寸及配比

表2 研磨粉及强化液成分

2.4 试验方案

本试验用11个轴承套圈，其中1个为未经试验的原始套圈(用作试验对比的样品)，编号为0#，这里可假设其喷射压力为0；其余10个套圈依次编号为1#～10#，相应的喷射压力分别为0.1，0.2，0.3，…，1.0 MPa；其他工艺参数不变，分别设置为：喷射时间为5 min，工件转速为150 r/min，喷头孔径10 mm，喷嘴与工件表面的距离为45 mm。在设定的相应喷射压力下分别对1#～10#套圈进行强化研磨加工，然后把加工过的套圈置于OLS4000型奥林巴斯激光共聚焦显微镜下进行观察。

2.5 试验结果与分析

1#，4#和9#套圈试验后的表面形貌如图4所示。由图可以看出：随着喷射压力的逐渐增大，套圈表面塑性变形量逐渐增大；套圈表面粗糙度亦随喷射压力的变化而变化。

图4 1#,4#和9#套圈的表面形貌

0#～10#套圈表面粗糙度随喷射压力的变化趋势如图5所示。

图5 套圈表面粗糙度随喷射压力的变化情况

由图5可知：

(1)在设定的加工试验条件下，喷射压力在0.4 MPa时轴承套圈表面粗糙度值最低，达到Ra0.138 μm，这是因为在此喷射压力下，喷丸在套圈表面所产生的凹坑几乎完全可以被研磨料的切削作用去除掉，它们之间达到了一个稳定的平衡状态。

(2)当喷射压力从0.4 MPa逐渐增大时，套圈表面粗糙度也随之逐渐增大；在0.8 MPa时开始趋于水平状态；当压力再次增大时，套圈表面粗糙度明显增大。这是由于在相同的一段时间内，喷射压力越大，喷丸在套圈表面产生的凹坑就越深，则研磨料对这些凸起的切削所需时间就越长，故当喷射压力越大，套圈表面粗糙度值也就越大；当喷丸在套圈表面产生凹坑与研磨料的切削作用达到平衡时，表面粗糙度随压力的变化也趋于平衡，即当压力在0.8 MPa时，套圈表面粗糙度达到一个平衡状态；当压力从0.8 MPa再次增大时，研磨料的切削作用与喷丸的强化压缩所产生的凹坑相比相对较小，套圈表面粗糙度主要由喷丸压缩所产生的凹坑决定，故当压力超过0.8 MPa时，套圈表面粗糙度值明显增大。

(3)当喷射压力从0.4 MPa逐渐减小为0时，套圈表面粗糙度不再随喷射压力的降低而降低，反而出现了不断上升的趋势。究其原因，主要是因为当喷射压力过小时，喷丸在轴承套圈表面产生的强化压缩量很小，同时，研磨料在套圈表面的微切削作用也不断减小，甚至可以忽略不计，故其表面粗糙度与未经加工套圈相比变化很小。

4 结束语

试验结果表明，强化研磨加工技术能够很好地降低套圈表面粗糙度，是一种高效、可靠、成本低廉的加工工艺。在强化研磨加工中，为了保证套圈表面粗糙度处于最佳，在满足要求并综合考虑各种因素的条件下，喷射压力应控制在0.4 MPa左右。