低壓磨料流拋光實驗研究

張志斌，程 玉

(安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 231603)

隨著現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展，封閉、多孔、成形面零件的精加工需求日益提高。磨料流加工工藝(AFM)可通過微犁割和微裂紋的方式高精度、高效率、經(jīng)濟的對有色金屬、碳鋼、陶瓷等零件進行拋光處理，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于焊接噴嘴[1]，彈簧與碟簧[2]等復(fù)雜成形表面、多孔零件的拋光加工。

本文構(gòu)建低壓磨料流加工設(shè)備并對45鋼工件進行拋光實驗，探索低壓磨料流加工工藝參數(shù)的種類與影響。

1 實驗研究

1.1 實驗裝置

為研究低壓磨料流拋光工藝參數(shù)影響，搭建低壓磨料流實驗裝置如圖1所示。圖中磨料缸內(nèi)徑150mm，高120mm。磨料缸固定在工作臺上，上端由密封蓋固定，密封蓋上端可增加砝碼或施加正壓力以構(gòu)建定壓定容加工環(huán)境。密封蓋中部有通孔，旋轉(zhuǎn)軸通過通孔帶動工件在磨料缸內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)加工。

圖1 低壓磨料流拋光實驗裝置

1.2 磨料

磨料是加工的核心要素，選取合適的磨料至關(guān)重要。磨料主要由磨粒、載體、添加劑組成，添加劑包括流變劑、補強劑等。合適的磨料需具有的特性主要包括：

(1)力學(xué)特性。磨料在加工過程中會承受多種剪切力，楊氏模量和滯后損失對加工效果影響非常顯著。實際加工中，磨料的應(yīng)力應(yīng)變曲線是高度非線性的，因此近似以瞬時應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系代替模量。實驗表明：載體分子鏈結(jié)構(gòu)越簡單，彈性模量越小，反之越大。磨料流加工中，磨粒的微小尺寸可能導(dǎo)致磨料不連續(xù)。實際上，載體連續(xù)是很少見的。磨料中磨粒的運動過程實際上是磨粒撕裂載體向前運動的過程?，F(xiàn)有技術(shù)表明[4]丁基橡膠II R、苯乙烯丁二烯橡膠SBR，硅橡膠Si等的撕裂強度較高，適合做磨料的載體。

(2)流變特性。實驗表明磨料的粘度隨剪切速率的提高而顯著降低，這一現(xiàn)象被稱為假塑性現(xiàn)象或剪切變稀現(xiàn)象。這一現(xiàn)象將導(dǎo)致加工過程中磨粒的沉淀，從而影響磨料流動性和整個磨料流加工過程。因此，在選擇磨料組分材料時，應(yīng)該選粘度隨溫度變化不大且抗剪切能力較強的材料做載體，如硅橡膠Si、苯乙烯丁二烯橡膠SBR等均較適合做磨料流加工的載體[5]。

(3)其他特性。主要包括溫度穩(wěn)定性。Kamal K.[6]等人發(fā)現(xiàn)老化溫度高低由載體的化學(xué)結(jié)構(gòu)決定?；瘜W(xué)結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，老化溫度越高。一種載體不見得只有1個老化溫度。如果一種載體中含有多種主要元素，而主要元素的老化溫度不同，則會導(dǎo)致載體有2個甚至多個老化溫度。

實驗?zāi)チ吓鋫淙绫?所列，磨粒為粒度200目碳化硅顆粒，載體由分子量65000的硅膠和適量聚二甲硅氧烷組成，添加劑包括適量潤滑劑、補強劑等組成，磨料質(zhì)量分數(shù)分別為30%、35%、40%、45%。由表1可知，磨粒質(zhì)量分數(shù)越高，磨料的密度越大。

表1 實驗?zāi)チ?/p>

1.3 實驗試件

圖2 實驗試件

如圖2所示，實驗試件選用直徑80mm、高5mm的45號鋼片，板中心孔徑5mm，中心孔周圍有放射性刻線。本實驗主要研究低壓磨料流拋光對光滑平面、刻線、邊界等區(qū)域的加工效果。

1.4 實驗步驟

實驗中擠壓力為50.3kPa，工件轉(zhuǎn)速200r/min，選取磨料種類(磨料1、2、3、4)、拋光時間(5、10、15、20、30、40分鐘)做為變量。首先選磨料1進行實驗，在各時間點取出試件記錄數(shù)據(jù)，之后改用磨料2、3、4重復(fù)上述步驟。試件拋光前后將使用電子天平稱重測得材料去除量、使用金相顯微鏡觀測試件表面光潔程度及紋理變化、使用能譜分析儀量化試件表面元素含量變化、使用表面粗糙度測試儀分析表面粗糙度、波紋度的變化。

2 實驗結(jié)果

2.1 材料去除率

如圖3所示，4種磨料的材料去除量均隨時間呈非線性增長，材料去除率則為遞減，這一規(guī)律符合試件磨損過程，也說明磨料流加工為多點切削的珩磨過程。拋光初期磨粒會去除工件表面附著物及鐵銹，因此初期材料去除率很大，隨著拋光繼續(xù)附著層逐漸被磨去，45號鋼基材的強度硬度足夠高導(dǎo)致材料去除率下降，也說明此拋光工藝不會損害工件表面細小結(jié)構(gòu)。

圖3 材料去除量變化

磨料4的材料去除率最高，隨著磨粒質(zhì)量分數(shù)下降，材料去除率依次遞減，磨料1最低。這是因磨粒質(zhì)量分數(shù)越高，與試件直接接觸的有效磨粒就越多，會提高材料去除率。

2.2 表面光潔程度及紋理變化

在金相顯微鏡下可見拋光后試件表面及刻線區(qū)域顏色明細變亮，說明經(jīng)拋光可有效去除試件表面鐵銹等黏著物。刻線寬度及深度沒有明顯變化，說明低壓磨料流拋光中試件表面受力均勻，邊緣、刻線等區(qū)域不會因承受過大擠壓而出現(xiàn)過大變形或過量磨損。

2.3 元素含量變化

通過能譜分析可知，拋光前試件表面含元素主要為Fe、O、Cu、Si等，拋光后含元素主要為Fe、Si、C、Mn、O等。Fe為試件基材元素不討論；C、Si、Mn元素含量略有上升，雜質(zhì)元素種類減少說明外露基材面積增加；O元素含量標志鐵銹面積大小，拋光前試件表面O原子含量63.35%，刻線區(qū)域含量10.45%，拋光后表面含量4.37%，刻線區(qū)域含量5.78%，前后對比說明低壓磨料流加工對試件表面及刻線區(qū)域鐵銹有很好的加工效果。

2.4 表面粗糙度

圖4 表面粗糙度變化

采用輪廓算術(shù)平均偏差Ra、輪廓均方根偏差Rq描述試件二維形貌特征，由圖4可知采用磨料1、2、3、4均可有效降低試件的表面粗糙度。選用磨料1、2進行拋光，可獲得較低的表面粗糙度，但變化率較低；選用磨料4進行拋光，試件表面粗糙度變化率最高，但最終值較大；選用磨料3進行拋光，可獲得較低的表面粗糙度及較高的變化率。這說明磨料1、2可實現(xiàn)試件的拋光，但因質(zhì)量分數(shù)限制了近壁有效磨粒數(shù)量，導(dǎo)致拋光效率并不高；磨料4拋光效率高，但流動性可能較差，導(dǎo)致拋光結(jié)果不好，磨料3比較理想。

由圖4可知，拋光15min后試件表面粗糙度即可達到較理想狀態(tài)，繼續(xù)拋光可進一步降低Ra、Rq值但效果不明顯，Ra變化的比Rq稍大。這說明采用低壓磨料流拋光15-20min即可獲得較好的表面質(zhì)量。

3 結(jié) 論

通過實驗得到的結(jié)論如下：

(1)磨料。實驗選用的4種磨料均可有效拋光45號鋼試件，在不產(chǎn)生形位誤差、不造成過大材料去除量的前提下降低表面粗糙度。

(2)拋光效果。低濃度磨料可獲得較好的拋光效果但效率低，高濃度磨料則相反，質(zhì)量分數(shù)40%、添加適量補強劑、潤滑劑的磨料可獲得最好的加工效果。

(3)磨料流拋光。低壓磨料流拋光因擠壓力低，會導(dǎo)致較低的材料去除率，因此較高壓磨料流加工拋光效率低一些。