趙書劍,鄭文婷，張遼遠,雷凱濤

(1.沈陽理工大學 機械工程學院,沈陽 110159；2.遼寧中海潤科技有限公司)

45號鋼是中碳優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼,切削加工性能良好,易于切削加工,在機械制造行業(yè)中得到了廣泛的應用[1]。綜合機械性能較好是45號鋼的特性,但其表面硬度低,不耐磨,會導致國家經(jīng)濟的損失、工業(yè)設備的損壞、壞境的污染等眾多不良后果,甚至造成災難性的影響,所以研究超聲微沖擊對45號表面耐磨性的影響意義重大。韓爽等[2]通過研究超聲加工對球墨鑄鐵表面粗糙度的影響,發(fā)現(xiàn)超聲加工能顯著降低試樣的表面粗糙度,超聲加工后,試樣表層晶粒明顯細化,表面硬度提高;王婷等[3-4]通過對40Cr鋼進行超聲表面滾壓加工,發(fā)現(xiàn)如果工藝參數(shù)選擇適當,試樣的表面粗糙度值可降低至0.2μm以下,對于潤滑摩擦,USRP處理可以大幅提高材料的表面耐磨性;文獻[5-6]研究發(fā)現(xiàn),在室溫下,45號鋼經(jīng)超聲振動作用,結(jié)構(gòu)組織細化,珠光體中的板狀滲碳體分解,這一過程造成珠光體和鐵素體在整個試樣中均勻分布,使材料顯微硬度增加。而目前,對超聲波模具拋光機產(chǎn)生的微沖擊作用45號鋼樣件表面改善表面耐磨性的研究較為少見。

本文使用超聲波模具拋光機對磨削后45號鋼樣件表面進行超聲強化處理,研究超聲微沖擊對45號鋼表面粗糙度的影響,通過改變磨損時施加載荷與研磨盤轉(zhuǎn)速,研究分析超聲微沖擊對45號鋼表面耐磨性的影響。

1 實驗條件與過程

1.1 超聲加工機理簡介

超聲加工技術(shù)是在傳統(tǒng)制造加工技術(shù)中,對工件或者工具施加沿一定方向的可控的超聲頻振動而形成的一種新型加工技術(shù),其具有改善加工工件表面粗糙度和耐磨性、減小加工工具磨損、降低加工區(qū)域溫度及減少切削力等諸多優(yōu)點[7]。

加工時,利用工具端面的超聲振動,通過磨料懸浮液加工脆硬材料的一種成型方法。加工原理如圖1所示。

加工時,在工具頭9和工件11之間加入磨料懸浮液13,同時使工具以一定的力作用在工件上。超聲換能器2產(chǎn)生16kHz以上超聲波的縱向振動,并通過變幅桿5(連接換能器錐體)把振幅放大到0.05～0.1mm左右。驅(qū)動工具端面作超聲振動,迫使磨料懸浮液中的磨粒以很大的速度和加速度不斷的錘擊、沖擊被加工表面,使工件材料被加工下來。與此同時,工作液受工具端面的超聲振動而產(chǎn)生的高頻、交變的液壓正負沖擊波和“空化”作用,加劇了機械破環(huán)作用。

圖1 超聲波加工方法示意圖

1.冷卻水入口;2.換能器;3.激勵線圈;4.銀釬料接縫;5.換能器錐體;6.諧振支座;7.冷卻水出口;8.工具錐;9.工具頭;10.磨料粒子;11.工件;12.工件材料碎粒;13.磨料懸浮液;14.變幅桿;15.磨料射流

1.2 工件的磨削與超聲處理

由于考慮到耐磨實驗需要樣件具有很好的平面度,這樣才能保證加載后樣件各點的受力均勻,所以樣件表面需經(jīng)過磨削處理。

實驗中將45號鋼樣板使用萬能工具磨床進行磨削,磨削深度為0.12mm。磨床型號為M6025K,主軸轉(zhuǎn)速3300r/min,考慮45號鋼材料屬性的特點,選用φ150mm×φ32mm×16mm的棕剛玉砂輪,砂輪粒度60#,其具有韌性高,能承受較大的壓力,工作過程中抗破碎能力強等特點[8]。

再用NDT120表面粗糙度儀進行測量,如圖2所示。由砂輪磨削后45號鋼樣件表面粗糙度值的預判范圍確定粗糙度測量儀的取樣距離為0.25mm×8mm,每個方向測量3次,取平均值,作為該方向上樣件的粗糙度值。

圖2 NDT120表面粗糙度儀

將磨削后的樣件表面使用YJCS-6型超聲波模具拋光機進行表面處理,然后測量表面粗糙度值,用正置金相顯微鏡觀測表面形貌。超聲拋光機如圖3所示,性能參數(shù)如表1所示。

圖3 YJCS-6型超聲波模具拋光機

名稱參數(shù)/材料加工后表面粗糙度Ra/μm0.012(▽13)研磨材料金剛石銼刀、纖維油石和人造金剛石研磨膏聲波頻率/kHz26-35工作電壓/V單向220

超聲處理時用水作為放電介質(zhì),將竹片夾在變幅桿上作為工具頭,調(diào)整換能器與變幅桿、變幅桿與工具頭螺絲松緊,使竹片得到相對理想的振動幅度,在W14、W7和W3.5的金剛石研磨膏下進行超聲研磨、拋光處理,測量超聲處理后表面粗糙度值,在保證樣件基本等厚的前提下用千分尺測量其厚度。

工件耐磨性的好壞取決于表面粗糙度的優(yōu)劣,表面粗糙度較差時,表面存在較大波谷,工件對應力集中較敏感,極易產(chǎn)生磨損失效[9]。45號鋼表面耐磨性主要受表面粗糙度與硬度影響[10],所以耐磨性實驗開始前另取一塊磨削后的樣板用目數(shù)為600、800和1200砂紙進行逐級摩擦處理,最終使兩塊樣板表面粗糙度基本相同,處理后觀測表面形貌,測量厚度值。

1.3 耐磨性實驗

本實驗選用UNIPOL-802型精密研磨拋光機,如圖4所示。

采用鑄鐵盤作為研磨盤,32#機油作為潤滑油。工作原理如下。

(1)鑄鐵盤盤面有溝槽,溝槽內(nèi)有滴料器滴儲磨料,載樣盤(粘有樣件)與研磨盤做回轉(zhuǎn)磨擦運動(稱第一磨擦運動)。

(2)載樣盤在支架兩滾輪支撐下,受到研拋盤旋轉(zhuǎn)使載樣盤產(chǎn)生速度差,載樣盤在這一速度差作用下產(chǎn)生自轉(zhuǎn)與研磨盤產(chǎn)生又一種磨擦運動(稱第二磨擦運動)。

圖4 UNIPOL-802型精密研磨拋光機

(3)支架在以立軸的中心為擺動中心進行往復擺動,載樣盤中心隨往復擺動也沿著研磨盤做徑向往復擺動,這樣又產(chǎn)生一個磨擦運動(稱第三磨擦運動)。

樣件在上述三種磨擦運動作用下進行研磨工作。研磨剛開始時只是部分樣件點參與研磨,隨著時間延長,參與點越多,待樣件面幾乎全部參與研磨時,高質(zhì)量研磨盤面就復制到樣件的面上。實驗簡圖如圖5所示。

圖5 磨損實驗裝置示意圖

由于磨損過程中應將樣件均布在載樣盤上,小樣件均布至少三點,這樣才能保證運轉(zhuǎn)平衡。所以將經(jīng)超聲處理和經(jīng)砂紙摩擦處理后的樣板用電火花線切割分別切成3塊直徑為8mm的小樣件,并制作載樣盤,如圖6所示。

圖6 載料裝夾盤

為保證相同的工況條件,實驗過程將超聲處理后的3個小樣件一起裝夾,將砂紙摩擦處理后的3個小樣件一起裝夾,分別在相同的條件下進行實驗。實驗條件如表2所示。

表2 實驗條件指標值

2 實驗結(jié)果與分析

將磨削與超聲微沖擊所得到的表面沿平行、垂直于紋理方向各測量3次表面粗糙度,這里稱為橫向粗糙度和縱向粗糙度,取平均值,得到超聲處理前、后樣件的表面粗糙度值。如表3所示。

表3 超聲處理前、后表面粗糙度 μm

由表3可以看出,超聲處理后45號鋼表面的粗糙度值明顯降低,由數(shù)據(jù)可知,橫向表面粗糙度降低38%,縱向表面粗糙度降低55%。

觀測超聲微沖擊前后45號鋼表面形貌,如圖7所示。

經(jīng)過砂輪磨削后的45號鋼表面,磨削在劃擦、耕梨和切削工件過程中產(chǎn)生大量的切削熱,金屬表面層約10μm到1000μm左右處發(fā)生相變,其硬度與塑性均會發(fā)生變化。一般將磨削后工件表面呈現(xiàn)黃色或黑褐色斑點作為燒傷的外觀標志,這種表面現(xiàn)象是由于在磨削區(qū)瞬時局部高溫作用下,工件表面呈現(xiàn)氧化層的顏色[11],燒傷破壞了工件表面組織,影響使用性能和壽命。

圖7 超聲處理前、后表面形貌圖

由圖7可以看出,砂輪磨削后的45號鋼表面燒傷嚴重,磨削過程中由于受到瞬時高溫的作用,產(chǎn)生明顯的燒傷痕跡,呈黃、黑色,表面微觀不平度較大,經(jīng)過超聲微沖擊處理后,大量去除了表層燒傷痕跡,并極大改善了表面微觀不平度,原砂輪磨削表面具有許多小而直的磨削槽,超聲處理后,表層凹槽呈正弦狀,所以超聲處理后45號鋼表面的橫向粗糙度與縱向粗糙度明顯提高。

為了進一步探究超聲微沖擊處理對45號鋼表面質(zhì)量的影響,用正置金相顯微鏡觀察砂紙摩擦處理后樣件表面形貌,如圖8所示。

圖8 砂紙摩擦處理表面形貌圖

在相同粗糙度的條件下進行磨損實驗后,測量初始磨損點的厚度值與磨損前初始厚度值作對比,測量結(jié)果如表4所示。

表4 磨損前后厚度值 mm

由表4可以看出,在相同粗糙度與磨損條件下,超聲處理后的45號鋼表面經(jīng)磨損后,厚度變化值較小,耐磨性更好。

為了使實驗結(jié)果更加真實可靠,實驗過程中在保證磨損時間相同的條件下又增加了幾組對比實驗。分別是:相同轉(zhuǎn)速,不同加載下,超聲微沖擊處理與砂紙摩擦處理后樣件厚度值變化;相同加載,不同轉(zhuǎn)速下,超聲微沖擊處理與砂紙摩擦處理后樣件厚度值變化。

在研磨盤轉(zhuǎn)速80r/min,磨損時間4min,加載分別是300g、400g、500g、600g和700g時,不同處理方式的樣件表面經(jīng)磨損后厚度值變化如圖9所示。

圖9 負載對磨損厚度的影響

由圖9可知，在研磨盤轉(zhuǎn)速相同的條件下，隨著載重的加大，兩種處理方式所得的45號鋼樣件表面在磨損實驗后厚度變化值逐漸加大，但超聲處理相對砂紙摩擦處理所得的45號鋼樣件厚度變化值較小。

在加載500g,磨損時間4min,研磨盤轉(zhuǎn)速分別是40r/min、60r/min、80r/min、100r/min和120r/min時,不同處理方式的樣件表面經(jīng)磨損后厚度值變化如圖10所示。

由圖10可知，在載重相同的條件下，隨著研磨盤轉(zhuǎn)速的加大，兩種處理方式所得的45號鋼樣件表面在磨損實驗后厚度變化值逐漸加大，但超聲處理相對砂紙摩擦處理所得的45號鋼樣件厚度變化值較小。

圖10 轉(zhuǎn)速對磨損厚度的影響

由于研磨盤與載料盤存在速度差,所以實驗過程中樣件從邊緣開始接觸磨損。當樣件與研磨盤發(fā)生相對運動時,在接觸的微凸體間產(chǎn)生了彈、塑性變形及剪切等,造成樣件表面的磨損。即使在有潤滑的條件下,也會因接觸壓力過大,難以形成穩(wěn)定的油膜。然而隨著磨合期的結(jié)束,微凸體不斷被磨平,促使它們的接觸面積不斷增大,而單位面積的接觸壓力卻隨之減小,油膜得以建立,磨損的劇烈程度大大減緩,逐步向穩(wěn)定磨損階段過渡[12]。

因此,實驗結(jié)果取最終穩(wěn)定磨損位置與初期磨損位置,觀測表面形貌,如圖11所示。

圖11 磨損后樣件表面形貌圖

由圖11可以看出,在穩(wěn)定磨損位置,經(jīng)過超聲微沖擊處理過后的45號鋼表面形貌狀態(tài)較好,原正弦狀凹槽大量保留,磨損劃傷較輕,保留了大部分超聲處理所得的光滑表面;而砂紙摩擦處理后的45號鋼表面原始小而直的凹槽大部分被破壞,表面大部分出現(xiàn)磨損所產(chǎn)生的凹痕;在開始磨損位置,兩種處理方式得到的表面完全被破壞,但可以看出超聲處理后的表面單位面積上磨損破壞較少、較淺。所以說明45號鋼在經(jīng)過超聲微沖擊強化處理后,顯著提高表面耐磨性能。

3 結(jié)論

(1)超聲微沖擊可以去除45號鋼磨削表面燒傷形成的氧化膜,改變了表層組織形態(tài)。

(2)超聲微沖擊可以改善45號鋼表面的微觀不平整度,使單位面積上細微的起伏和峰谷減少,極大的降低了表面粗糙度值。

(3)經(jīng)超聲微沖擊強化處理后的45號鋼表面耐磨性能得到提高。