魏澤飛，張斯文，佘東生，龐桂兵，徐文驥

（1.渤海大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 錦州121013；2.大連工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 大連116034；3.大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連116024）

0 引言

軸/軸承類(lèi)零件廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、機(jī)床、飛機(jī)和電機(jī)等設(shè)備的連接、支承與傳動(dòng)中［1-4］，其內(nèi)外圈表面和滾動(dòng)體的加工精度和表面質(zhì)量嚴(yán)重影響零件的使用性能.如國(guó)產(chǎn)軸承的平均使用壽命只有SKF、FAG等國(guó)外品牌的1/3左右，主要原因就是構(gòu)成軸承的零部件加工精度低，表面質(zhì)量差［5］.機(jī)車(chē)等設(shè)備的變速箱內(nèi)支撐軸表面質(zhì)量提高一個(gè)等級(jí)，便可大幅提高其扭矩，并延長(zhǎng)其使用壽命［6］.現(xiàn)代機(jī)械裝備的發(fā)展對(duì)零件表面質(zhì)量的要求越來(lái)越高.高表面質(zhì)量零件不但可以提高使用性能，而且可以降低傳動(dòng)噪音，改善潤(rùn)滑效果，增加使用壽命.

零件的使用性能包括：耐磨性、抗疲勞強(qiáng)度和接觸剛度、配合精度和密封性、耐腐蝕性［7］.不同的加工方法對(duì)零件表面質(zhì)量的影響效果不同，零件表面越粗糙，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的摩擦力越大，磨損越嚴(yán)重；零件表面凸起被磨損后的小顆粒游離在摩擦副表面之間，劃傷摩擦副表面；越粗糙的零件表面，應(yīng)力集中越明顯，在交變應(yīng)力的作用下越容易形成疲勞裂紋致零件提前斷裂失效；零件表面越粗糙，還會(huì)改變配合性質(zhì)，使零件間實(shí)際接觸面積變小，降低甚至喪失傳動(dòng)性能，同時(shí)使密封性能下降；零件在使用過(guò)程中，受到潤(rùn)滑油或空氣中的水分等腐蝕介質(zhì)的影響，在零件表面的凹坑處會(huì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象，也會(huì)使零件提前破壞失效［8-9］.

由此可見(jiàn)，要增強(qiáng)零件的使用性能必須要改善零件的表面質(zhì)量.表面質(zhì)量評(píng)價(jià)參數(shù)主要包括：輪廓算術(shù)平均偏差Ra、輪廓最大高度Rz、輪廓單元平均寬度Rsm和輪廓支承長(zhǎng)度率Rmr（c），前兩者是最常用的主要參數(shù)，后兩者是輔助參數(shù)，當(dāng)對(duì)零件的涂漆、抗裂紋和抗腐蝕性有要求時(shí)采用Rsm參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，當(dāng)對(duì)零件的耐磨性和接觸剛度有要求時(shí)采用Rmr（c）參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià).為提高零件表面質(zhì)量，對(duì)軸/軸承類(lèi)零件，通常是采用精密車(chē)削后磨削，甚至研磨拋光的工藝，工藝鏈長(zhǎng)造成效率低，加工過(guò)程中粉塵大、污染嚴(yán)重，而且表面質(zhì)量提高不明顯［10-12］.ECMF加工是一種將電化學(xué)加工和機(jī)械加工技術(shù)相結(jié)合的復(fù)合加工技術(shù).它兼具有不受材料硬度限制，凡導(dǎo)電材料均可加工，無(wú)加工熱影響區(qū)和表面變質(zhì)層、效率高等優(yōu)點(diǎn).因此，本文針對(duì)軸/軸承類(lèi)零件加工中存在的工藝問(wèn)題，提出將ECMF加工技術(shù)引入到軸/軸承類(lèi)零件的加工中，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比了油石磨削加工和ECMF加工對(duì)軸/軸承類(lèi)零件表面質(zhì)量評(píng)價(jià)參數(shù)Ra、Rz、Rs m和Rmr（c）的影響，并分析了產(chǎn)生此種影響的原因.

1 ECMF加工基本原理

圖1所示為ECMF加工原理示意圖.如圖所示，陽(yáng)極工件與直流電源正極連接，并在電機(jī)（圖中未畫(huà)出）的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，工具陰極與直流電源負(fù)極連接，中間通過(guò)高速流動(dòng)的中性電解液，形成閉合回路，工件表面的金屬材料在電化學(xué)“陽(yáng)極溶解”和“尖端效應(yīng)”的作用下被去除，同時(shí)在陽(yáng)極工件表面形成一層鈍化膜，鈍化膜具有一定電阻，阻礙電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)一步進(jìn)行，通過(guò)旋轉(zhuǎn)的砂輪的機(jī)械作用將鈍化膜磨削去除掉，重新露出鈍化膜下工件的金屬基體，金屬基體再一次被電化學(xué)反應(yīng)去除，周而復(fù)始，工件表面逐漸被整平，表面質(zhì)量得到提高［13］.

圖1 ECMF加工原理示意圖

2 ECMF加工實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

ECMF實(shí)驗(yàn)在一臺(tái)經(jīng)過(guò)改裝的普通車(chē)床上進(jìn)行，圖2為實(shí)驗(yàn)裝置圖.陽(yáng)極工件通過(guò)導(dǎo)電銅柱與直流電源正極連接，并在車(chē)床主軸的帶動(dòng)下以一定速度旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)速度通過(guò)機(jī)床主軸箱上的手柄控制.陰極采用Cu材料，兩端貼有絕緣電木，其比陰極長(zhǎng)出0.2 mm，以防止陰極與陽(yáng)極直接接觸造成短路而放電受損，陰極正面開(kāi)有兩排孔以使電解液噴到陰極陽(yáng)極之間.陰極陽(yáng)極之間的間隙通過(guò)塞尺調(diào)整.機(jī)械磨削材料采用油石，通過(guò)氣缸施加一定壓力作用在陽(yáng)極工件上，并在電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下沿工件軸線(xiàn)方向來(lái)回移動(dòng)，以去除鈍化膜.電解液通過(guò)回收槽流回循環(huán)箱，經(jīng)過(guò)濾、降溫后循環(huán)使用.

圖2 ECMF實(shí)驗(yàn)裝置圖

2.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

陽(yáng)極工件材料為工程中常用的45#鋼.工件預(yù)先經(jīng)磨床砂輪磨削.工具陰極材料為Cu；電解液采用中性NaNO3水溶液，質(zhì)量分?jǐn)?shù)18%，流量為40 L·min-1，以形成紊流流場(chǎng)，溫度為室溫25°C.表1所示為實(shí)驗(yàn)加工參數(shù)表.實(shí)驗(yàn)前后零件表面粗糙度參數(shù)采用TALYSURF CLI 2000型表面粗糙度測(cè)量?jī)x測(cè)量.

表1 實(shí)驗(yàn)加工參數(shù)表

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖3所示為經(jīng)不同加工方法加工前后零件圖片.由圖可知，加工前（圖3（a）），零件表面為砂輪磨削后的交錯(cuò)網(wǎng)紋，比較粗糙，光潔度低；而經(jīng)過(guò)3000#油石磨削加工后（圖3（b）），零件表面變得比較光滑，光潔度有所提高；而經(jīng)ECMF加工后的零件表面非常光滑，已經(jīng)接近鏡面（圖3（c）（d））.

圖3 加工前后零件圖片

圖4 加工前后零件表面粗糙度測(cè)量結(jié)果圖

圖4所示為加工前后零件表面粗糙度測(cè)量結(jié)果圖.由圖可知，表面粗糙度值由加工前Ra0.231μm（圖4（a））降低到3000#油石磨削加工180 s時(shí)的Ra0.0973μm（圖4（b）），而采用ECMF加工后降低到1200#油石ECMF加工180 s時(shí)的Ra0.0482μm（圖4（c））和3000#油石ECMF加工180 s時(shí)的Ra0.0253μm（圖4（d））.同時(shí)輪廓最大高度Rz值、輪廓單元平均寬度Rs m也降低，輪廓支承長(zhǎng)度率Rmr（c）大幅提高.

3.1 不同加工方法對(duì)表面輪廓算術(shù)平均偏差R a的影響

圖5所示為經(jīng)不同加工方法加工后零件輪廓算術(shù)平均偏差Ra值隨加工時(shí)間變化的曲線(xiàn).從圖中可以看出，四種加工方法加工后零件表面Ra值都隨加工時(shí)間的增加而降低，但是降低的幅度不同，ECMF加工相較于磨削加工可以獲得更低的表面Ra值.油石磨削加工在整個(gè)加工時(shí)間內(nèi)，Ra值基本呈線(xiàn)性下降，而3000#油石磨削相較于1200#油石磨削獲得的輪廓表面Ra值更低.而ECMF方法在前180 s內(nèi)Ra值下降幅度比較顯著，180 s之后趨于平緩，3000#油石ECMF相較于1200#油石ECMF可獲得更低的表面Ra值，最后可達(dá)到Ra0.0225μm，表明更高號(hào)數(shù)的油石，磨粒更細(xì)，可獲得更好的整平效果.

圖5 輪廓算術(shù)平均偏差R a值隨加工時(shí)間變化曲線(xiàn)

3.2 不同加工方法對(duì)表面輪廓最大高度R z的影響

圖6所示為經(jīng)不同加工方法加工后零件輪廓最大高度Rz值隨加工時(shí)間變化的曲線(xiàn).由圖可知，四種加工方法獲得的輪廓最大高度Rz值都隨著加工時(shí)間的增加而逐漸降低，但降低幅度不同，ECMF加工后的Rz值遠(yuǎn)低于油石磨削后的Rz值.磨削加工的Rz值隨時(shí)間增加而呈線(xiàn)性下降的趨勢(shì)，3000#油石磨削比1200#油石磨削可獲得更低的Rz值，但兩者對(duì)Rz值影響的差別不大.ECMF加工在前180 s內(nèi)可使Rz值大幅下降，超過(guò)180 s之后下降趨于平緩；而3000#油石ECMF比1200#油石ECMF可獲得更低的Rz值，最終可達(dá)到Rz0.196μm.

圖6 輪廓最大高度R z值隨加工時(shí)間變化曲線(xiàn)

3.3 不同加工方法對(duì)輪廓單元平均寬度Rsm的影響

圖7所示為經(jīng)不同加工方法加工后零件輪廓單元平均寬度Rs m值隨加工時(shí)間變化的曲線(xiàn).由圖可知，四種加工方法獲得的零件輪廓Rsm值都隨著加工時(shí)間的增加而降低，但是ECMF加工后的Rs m值遠(yuǎn)低于油石磨削加工后的Rs m值，表明ECMF加工后的零件抗腐蝕性?xún)?yōu)于油石磨削加工.油石磨削加工的Rsm值隨時(shí)間增加而呈線(xiàn)性下降的趨勢(shì)，3000#油石磨削比1200#油石磨削可獲得更低的Rsm值；而ECMF加工在前120 s內(nèi)可使Rsm值大幅下降，120 s之后隨加工時(shí)間增加降幅趨于平緩，3000#油石ECMF比1200#油石ECMF可獲得更低的Rsm值，最終達(dá)到Rs m13.9μm.

圖7 輪廓單元平均寬度Rsm值隨加工時(shí)間變化曲線(xiàn)

3.4 不同加工方法對(duì)表面輪廓支承長(zhǎng)度率Rmr（1μm）的影響

圖8所示為經(jīng)不同加工方法加工后輪廓最大支承長(zhǎng)度率Rmr（1μm）隨加工時(shí)間變化的曲線(xiàn).由圖可知，四種加工方法獲得的輪廓支承長(zhǎng)度率都隨著加工時(shí)間的增加而變大，但是ECMF加工后得到的輪廓支承長(zhǎng)度率要顯著高于油石磨削加工，表明ECMF加工后的零件耐磨性好于油石磨削加工.1200#油石磨削加工輪廓支承長(zhǎng)度率在前180 s內(nèi)增加幅度較高，由60 s時(shí)的72.5%呈線(xiàn)性增加到180 s時(shí)的78.9%，之后增加速度變小，在300 s時(shí)僅為80.2%；3000#油石磨削加工得到的輪廓支承長(zhǎng)度率在整個(gè)加工時(shí)間內(nèi)增加速度都比較平緩，由60 s時(shí)的80.4%增加到300 s時(shí)的83.6%；1200#油石ECMF加工的輪廓支承長(zhǎng)度率由60 s時(shí)的83.1%按線(xiàn)性規(guī)律增加到300 s時(shí)的90.9%；而3000#油石ECMF加工的增加幅度最大，由60 s時(shí)的88.2%按二次曲線(xiàn)規(guī)律增加到300 s時(shí)的99.8%.

圖8 輪廓支承長(zhǎng)度率Rmr（1μm）隨加工時(shí)間變化曲線(xiàn)

3.5 原因分析

磨削加工主要依靠油石本身細(xì)小的磨粒不斷磨削去除零件表面的峰高，但在去除峰高的同時(shí)，磨粒又在零件表面形成新的劃痕，即新的峰與谷，磨粒尺寸大則形成的峰“高”、谷“深”，磨粒小則形成的峰“低”、谷“淺”，從而反映出不同的表面粗糙度值.

本實(shí)驗(yàn)中，1200#油石的磨粒粒度尺寸約為10μm，而3000#油石的磨粒粒度尺寸約為3μm，故3000#油石磨削加工獲得的表面粗糙度好于1200#油石磨削加工.而ECMF加工主要是依靠電化學(xué)“陽(yáng)極溶解”作用去除金屬，在零件表面峰高的位置，電流密度大，優(yōu)先溶解被去除（尖端效應(yīng)），其他位置電流密度小，溶解速度慢，材料去除少，進(jìn)而在表面形成鈍化膜，油石磨削的作用僅是去除鈍化膜，油石磨削壓力的大小影響鈍化膜去除效果，過(guò)大則除了去除鈍化膜還損傷金屬基體形成類(lèi)似單純油石磨削的效果，過(guò)小則鈍化膜去除不完整，阻抗增加，電化學(xué)反應(yīng)中電子穿過(guò)鈍化膜困難，電化學(xué)作用效果差，通過(guò)選擇合適的壓力，即可使磨粒僅去除鈍化膜，電化學(xué)再溶解去除新的峰高，周而復(fù)始，零件的表面峰高基本被去除，谷深變淺，表面粗糙度值優(yōu)于純油石磨削加工.本實(shí)驗(yàn)由于采用固定油石作用壓力，1200#油石和3000#油石對(duì)鈍化膜的去除效果不同，對(duì)表面粗糙度大小影響也不相同，3000#油石在此壓力下對(duì)鈍化膜去除效果更好，故最終的表面質(zhì)量更好.

4 結(jié)論

本研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比了油石磨削加工和ECMF加工兩種加工方法對(duì)軸/軸承類(lèi)零件表面質(zhì)量的影響.結(jié)果表明，ECMF加工對(duì)軸/軸承類(lèi)零件是一種切實(shí)有效的加工方法，在提高加工效率的同時(shí)，還可大幅改善零件的表面質(zhì)量，從而提高零件的使用性能.通過(guò)選擇合適的油石磨削作用壓力，可使零件的輪廓算術(shù)平均偏差由Ra0.231μm降低到Ra0.0225μm，輪廓最大高度由Rz2.46μm降低到Rz0.196μm，輪廓單元平均寬度由Rsm57μm降低到Rsm13.9μm，輪廓支撐長(zhǎng)度率Rmr（1μm）由68.7%提高到99.8%.