電化學(xué)機械加工對軸/軸承類零件表面質(zhì)量影響研究

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) 機械工程與自動化學(xué)院，遼寧 大連116034；3.大連理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，遼寧 大連116024）

0 引言

軸/軸承類零件廣泛應(yīng)用于汽車、機床、飛機和電機等設(shè)備的連接、支承與傳動中［1-4］，其內(nèi)外圈表面和滾動體的加工精度和表面質(zhì)量嚴重影響零件的使用性能.如國產(chǎn)軸承的平均使用壽命只有SKF、FAG等國外品牌的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］.機車等設(shè)備的變速箱內(nèi)支撐軸表面質(zhì)量提高一個等級，便可大幅提高其扭矩，并延長其使用壽命［6］.現(xiàn)代機械裝備的發(fā)展對零件表面質(zhì)量的要求越來越高.高表面質(zhì)量零件不但可以提高使用性能，而且可以降低傳動噪音，改善潤滑效果，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］.不同的加工方法對零件表面質(zhì)量的影響效果不同，零件表面越粗糙，運動過程中的摩擦力越大，磨損越嚴重；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，還會改變配合性質(zhì)，使零件間實際接觸面積變小，降低甚至喪失傳動性能，同時使密封性能下降；零件在使用過程中，受到潤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發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象，也會使零件提前破壞失效［8-9］.

由此可見，要增強零件的使用性能必須要改善零件的表面質(zhì)量.表面質(zhì)量評價參數(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)對零件的涂漆、抗裂紋和抗腐蝕性有要求時采用Rsm參數(shù)進行評價，當(dāng)對零件的耐磨性和接觸剛度有要求時采用Rmr（c）參數(shù)進行評價.為提高零件表面質(zhì)量，對軸/軸承類零件，通常是采用精密車削后磨削，甚至研磨拋光的工藝，工藝鏈長造成效率低，加工過程中粉塵大、污染嚴重，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，無加工熱影響區(qū)和表面變質(zhì)層、效率高等優(yōu)點.因此，本文針對軸/軸承類零件加工中存在的工藝問題，提出將ECMF加工技術(shù)引入到軸/軸承類零件的加工中，通過實驗對比了油石磨削加工和ECMF加工對軸/軸承類零件表面質(zhì)量評價參數(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，陽極工件與直流電源正極連接，并在電機（圖中未畫出）的帶動下旋轉(zhuǎn)，工具陰極與直流電源負極連接，中間通過高速流動的中性電解液，形成閉合回路，工件表面的金屬材料在電化學(xué)“陽極溶解”和“尖端效應(yīng)”的作用下被去除，同時在陽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)的進一步進行，通過旋轉(zhuǎn)的砂輪的機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加工實驗

2.1 實驗裝置

ECMF實驗在一臺經(jīng)過改裝的普通車床上進行，圖2為實驗裝置圖.陽極工件通過導(dǎo)電銅柱與直流電源正極連接，并在車床主軸的帶動下以一定速度旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)速度通過機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，其比陰極長出0.2 mm，以防止陰極與陽極直接接觸造成短路而放電受損，陰極正面開有兩排孔以使電解液噴到陰極陽極之間.陰極陽極之間的間隙通過塞尺調(diào)整.機械磨削材料采用油石，通過氣缸施加一定壓力作用在陽極工件上，并在電動機的帶動下沿工件軸線方向來回移動，以去除鈍化膜.電解液通過回收槽流回循環(huán)箱，經(jīng)過濾、降溫后循環(huán)使用.

圖2 ECMF實驗裝置圖

2.2 實驗參數(shù)

陽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)量分數(shù)18%，流量為40 L·min-1，以形成紊流流場，溫度為室溫25°C.表1所示為實驗加工參數(shù)表.實驗前后零件表面粗糙度參數(shù)采用TALYSURF CLI 2000型表面粗糙度測量儀測量.

表1 實驗加工參數(shù)表

3 實驗結(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網(wǎng)紋，比較粗糙，光潔度低；而經(jīng)過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量結(jié)果圖

圖4所示為加工前后零件表面粗糙度測量結(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時的Ra0.0482μm（圖4（c））和3000#油石ECMF加工180 s時的Ra0.0253μm（圖4（d））.同時輪廓最大高度Rz值、輪廓單元平均寬度Rs m也降低，輪廓支承長度率Rmr（c）大幅提高.

3.1 不同加工方法對表面輪廓算術(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值隨加工時間變化的曲線.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加工時間內(nèi)，Ra值基本呈線性下降，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，最后可達到Ra0.0225μm，表明更高號數(shù)的油石，磨粒更細，可獲得更好的整平效果.

圖5 輪廓算術(shù)平均偏差R a值隨加工時間變化曲線

3.2 不同加工方法對表面輪廓最大高度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值隨加工時間變化的曲線.由圖可知，四種加工方法獲得的輪廓最大高度Rz值都隨著加工時間的增加而逐漸降低，但降低幅度不同，ECMF加工后的Rz值遠低于油石磨削后的Rz值.磨削加工的Rz值隨時間增加而呈線性下降的趨勢，3000#油石磨削比1200#油石磨削可獲得更低的Rz值，但兩者對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，最終可達到Rz0.196μm.

圖6 輪廓最大高度R z值隨加工時間變化曲線

3.3 不同加工方法對輪廓單元平均寬度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值隨加工時間變化的曲線.由圖可知，四種加工方法獲得的零件輪廓Rsm值都隨著加工時間的增加而降低，但是ECMF加工后的Rs m值遠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優(yōu)于油石磨削加工.油石磨削加工的Rsm值隨時間增加而呈線性下降的趨勢，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，最終達到Rs m13.9μm.

圖7 輪廓單元平均寬度Rsm值隨加工時間變化曲線

3.4 不同加工方法對表面輪廓支承長度率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度率Rmr（1μm）隨加工時間變化的曲線.由圖可知，四種加工方法獲得的輪廓支承長度率都隨著加工時間的增加而變大，但是ECMF加工后得到的輪廓支承長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度率在前180 s內(nèi)增加幅度較高，由60 s時的72.5%呈線性增加到180 s時的78.9%，之后增加速度變小，在300 s時僅為80.2%；3000#油石磨削加工得到的輪廓支承長度率在整個加工時間內(nèi)增加速度都比較平緩，由60 s時的80.4%增加到300 s時的83.6%；1200#油石ECMF加工的輪廓支承長度率由60 s時的83.1%按線性規(guī)律增加到300 s時的90.9%；而3000#油石ECMF加工的增加幅度最大，由60 s時的88.2%按二次曲線規(guī)律增加到300 s時的99.8%.

圖8 輪廓支承長度率Rmr（1μm）隨加工時間變化曲線

3.5 原因分析

磨削加工主要依靠油石本身細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，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.

本實驗中，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，過大則除了去除鈍化膜還損傷金屬基體形成類似單純油石磨削的效果，過小則鈍化膜去除不完整，阻抗增加，電化學(xué)反應(yīng)中電子穿過鈍化膜困難，電化學(xué)作用效果差，通過選擇合適的壓力，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.本實驗由于采用固定油石作用壓力，1200#油石和3000#油石對鈍化膜的去除效果不同，對表面粗糙度大小影響也不相同，3000#油石在此壓力下對鈍化膜去除效果更好，故最終的表面質(zhì)量更好.

4 結(jié)論

本研究通過實驗對比了油石磨削加工和ECMF加工兩種加工方法對軸/軸承類零件表面質(zhì)量的影響.結(jié)果表明，ECMF加工對軸/軸承類零件是一種切實有效的加工方法，在提高加工效率的同時，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，輪廓支撐長度率Rmr（1μm）由68.7%提高到99.8%.