强化研磨加工中喷射时间对钢球磨损的影响* ＊

刘晓初 萧金瑞 张建文 谢碧洪 周俊辉 黄 骏

(①广州大学广州市金属材料强化研磨高性能加工重点实验室，广东 广州510006;②广州大学机械与电气工程学院，广东 广州510006;③罗定职业技术学院，广东 罗定527200)

强化研磨技术是广州大学刘晓初教授提出的一种基于复合加工方法的抗疲劳、抗腐蚀、抗磨损金属材料精密加工技术［1］。该方法能够使金属工件被加工后获得表面残余压应力，以改善工件的表面性能，延长其疲劳寿命［2-4］。

强化研磨原理是使强化研磨料(由强化钢丸、研磨粉、强化研磨液组成)与高压气流混合后经高压喷射系统喷射到工件表面上，对工件表面不断进行碰撞敲打致使工件表层发生塑性形变，从而达到对工件表面进行强化研磨的效果［5］，如图1 所示。

在不断的碰撞过程中，强化研磨料中的钢球表面也会因为力的作用而发生塑性变形和磨损。本文先从理论上分析强化研磨加工中不同喷射时间对钢球磨损的影响，然后通过实验验证喷射时间对钢球磨损的影响。最终，通过理论分析和实验验证确定喷射时间和钢球磨损之间的关系。

强化研磨加工过程中，钢球经高压喷射系统后喷射至工件表面，其动能Ek=mv2/2，其中，m为钢球质量，v为喷射速度。在喷射初期过程中，钢球主要发生塑性形变。应用Hertz 理论和弹塑性模型推导可得单个弹性钢球喷射到工件表面瞬间所产生的最大力F为［6］

其中:E为钢球的弹性模量;v为泊松比;ρ 为材料密度，V为钢球的碰撞速度。通过Hassani 理论推导，可得出静态加载时钢球的凹陷深度和变形深度之间的关系为［7］:

式中:hp为弹性变形深度，R为钢球半径，Z-为凹陷深度。由进一步的实验和验证可知，动态加载所产生的凹陷程度和静态加载所产生的凹陷程度相同时，产生的塑性深度也相差不大，因此钢球的凹陷深度和变形深度之间的关系式也适用于动态加载的情况下。随着研磨加工时间的增加，钢球和工件碰撞的次数也随之增加，钢球表面的形变逐渐增大并产生裂纹磨损等变化［8］。

1 试样制备与试验方法

1.1 试验准备

本试验采用广州大学刘晓初教授自主研制的强化研磨机作为加工设备，其主要结构包括:电磁无心装夹装置、强化研磨料高压喷射与回收装置、高压喷射装置。强化研磨对象为深沟球轴承外圈，外径为72 mm，宽度为10 mm，材料为 GCr15 轴承钢，硬度为59.62 HRC。强化研磨料中所用的钢球为铸钢球，直径为2 mm，硬度为65HRC。所用的研磨粉为棕刚玉粉末，所用的研磨液为机械加工中常用于润滑冷却的切削液，试验中强化研磨料各组分如表1 所示。

试验步骤:(1)取直径为2 mm 的铸钢球3 kg;(2)将棕刚玉粉末先经过80 目的筛，再经过120 目的筛，取筛下的粉末1 kg;(3)取机械加工中常用于润滑冷却的切削液1.2 kg;(4)将步骤(1)～(3)的材料混合均匀并倒入强化研磨机的研磨料存储装置中;(5)将轴承套圈工件装夹到强化研磨机的电磁无心装夹装置上;(6)启动强化研磨机，将研磨料喷射到工件表面，设置喷射压力为0.8 MPa。

1.2 试验方法

启动强化研磨机进行强化研磨加工后，每间隔1min 暂停一次，并向研磨机内取一次钢球试样，连续取30 个试样，并进行编号。采用场发射电子显微镜观察试样的表面微观形貌，并采用光学表面粗糙度测量仪测量表面粗糙度值。

2 试验结果与分析

图2 为试样5 的SEM 放大图，图3 为试样30 的SEM 放大图。从图中可以看出，试样5 钢球表面微观形貌较为规律，钢球表面未产生明显的磨损。而试样30 表面微观形貌紊乱，杂乱无章，同时呈现大量的凹坑与凸起形貌。可见试样30 已经出现了严重的磨损，表层将逐渐剥落形成不规则的表面形貌，如继续采用该钢球对工件进行强化研磨加工，在强化研磨加工中很可能会对工件表面造成刮痕划伤等不利影响。而试样5 则可继续用于强化研磨加工。

由于加工环境相对稳定，加工参数也保持不变，所以钢球的表面形貌与表面粗糙度值成线性对应关系，即钢球表面形貌越杂乱无章其粗糙度值越大［9-10］。因此，可以通过钢球表面粗糙度值分析钢球的磨损程度。记录30 个试样的表面粗糙度值并绘制钢球的表面粗糙度—喷射时间曲线，如图4 所示。

由图4 可得以下结论:

(1)在设定的工艺参数下对轴承套圈进行强化研磨加工，在喷射时间为0 ～10 min 范围内，钢球的表面粗糙度变化较平缓。由于初期强化研磨阶段，钢球表面发生弹性形变，而钢球表面发生弹性形变所吸收的能量与撞击过程中产生的能量相当，无大量剩余能量，故钢球表面磨损量较小，从而使得其表面粗糙度变化较平缓。

(2)喷射时间为10 ～22 min 范围内，钢球表面粗糙度值随着喷射时间的增加而线性增大。由于在多次撞击后，钢球表面疲劳而进入表面塑性形变阶段。此阶段，钢球表面不存在或极少存在弹性变形，在撞击条件不变的条件下，钢球的塑性形变量与撞击次数成正比。所以，在此阶段钢球表面粗糙度值随着喷射时间的增加而线性增大。

(3)喷射时间为22 ～30 min 范围内，钢球表面粗糙度值随着喷射时间的增加而急剧增大。由于经历塑性形变后，钢球表面完全进入了疲劳阶段，此时钢球表面开始出现剥落层与明显的凸起或凹陷杂乱无章的表面形貌。此阶段的钢球，每一次撞击都可能造成钢球表层的剥落与破裂。所以，在此阶段钢球表面粗糙度值随着喷射时间的增加而急剧增大。

(4)钢球在进入表面粗糙度值随喷射时间急剧增大的阶段后则不再适用于强化研磨加工，即在本试验所设定的强化研磨工艺参数条件下对轴承套圈进行强化研磨20 min 后则需更换强化研磨料中的钢球，否则会对工件表面造成刮痕和划伤等不利的影响。

3 结语

本文首先从机理上对强化研磨加工中强化研磨料中的钢球进行分析，然后通过试验进一步地分析强化研磨加工中不同喷射时间对强化研磨料中钢球的磨损的影响。试验结果表明:钢球表面在喷射时间为0 ～10 min 范围内为弹性变形，在喷射时间为10 ～22 min范围内为塑性变形，在喷射时间为22 ～30 min 范围内为疲劳磨损变形。所以，以试验所设定的工艺参数为强化研磨加工参数时，加工22 工min 后则需更换强化研磨料中的钢球，否则会对工件造成刮痕和划伤等不利影响。

［1］刘传剑，刘晓初，李文雄.轴承套圈沟道强化研磨加工中碰撞数值模拟分析［J］.轴承，2010 (12):21-24.

［2］栾伟玲，涂善东.喷丸表面改性技术的研究进展［J］. 中国机械工程，2005，16(15):1405 -1409.

［3］刘传剑. 轴承强化研磨加工有限元仿真分析及设备研制［D］. 广州:广州大学，2011.

［4］王仁智.表面喷丸强化机制［J］.机械工程材料，1988(5):20.

［5］李文雄. 轴承强化研磨加工工艺参数优化的研究［D］. 广州:广州大学，2012.

［6］高霁，苏新伟，钟佳丽. Hertz 理论在球轴承应用方面的局限性［J］. 轴承，2008(11):9 -11.

［7］Al-Hassani S T S. Mechanical aspects of residual stress development in shot peening［D］.U.K.:University of Manchester，1981:583 -603.

［8］闫五柱，章刚，温世峰，等. 表面粗糙度对喷丸残余应力场的影响［J］.2010(4):523 -527.

［9］蒋书文，姜斌，李燕，等. 磨损表面形貌的三维分形维数计算［J］.摩擦学学报，2003，23(6):533-536.

［10］冀盛亚，孙乐民，上官宝，等. 表面粗糙度对黄铜/铬青铜摩擦副载流摩擦磨损性能影响的研究［J］. 润滑与密封，2009，34(1):29-31.