孫書(shū)娟，季業(yè)益，陸寶山

(1.蘇州建設(shè)交通高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校軌道交通工程系，江蘇蘇州 215103；2.蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院精密制造工程系，江蘇蘇州 215104)

0 前言

SUS304不銹鋼管因具有良好的抗腐蝕性、耐熱性、低溫強(qiáng)度與機(jī)械加工性能，在工業(yè)設(shè)備、石油化工、醫(yī)療器械、汽車(chē)配件、餐具廚衛(wèi)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而，在對(duì)SUS304不銹鋼管狀零部件的內(nèi)圓表面進(jìn)行加工時(shí)，由于受到刀具尺寸、剛度、工件尺寸和材料等多種因素的制約，其加工表面質(zhì)量有時(shí)并不理想。磁力研磨加工技術(shù)的出現(xiàn)克服了內(nèi)圓表面加工中的不足，可以有效降低不銹鋼的表面粗糙度，提高其表面工作壽命與抗腐蝕性，同時(shí)能改善材料表面的物理性能。

本文作者以自制的環(huán)形磁刷工具配合多軸運(yùn)動(dòng)電解復(fù)合磨粒磁力研磨機(jī)，對(duì)SUS304不銹鋼套的內(nèi)圓表面進(jìn)行研磨加工，探討氧化鋁磨粒粒徑、加工時(shí)間、加工負(fù)荷以及加工電流等工藝參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

研究所用的試驗(yàn)機(jī)臺(tái)改裝自某研究所研發(fā)的多軸運(yùn)動(dòng)電解復(fù)合磨粒拋光機(jī)，改裝后的機(jī)臺(tái)主要由工具進(jìn)給模塊、工具旋轉(zhuǎn)與往復(fù)模塊、工件旋轉(zhuǎn)與施力模塊以及電解液循環(huán)系統(tǒng)等4個(gè)部分組成。多軸運(yùn)動(dòng)電解復(fù)合磁力研磨機(jī)實(shí)物裝置如圖1所示。

圖1 多軸運(yùn)動(dòng)電解復(fù)合磁力研磨機(jī)

此機(jī)臺(tái)通過(guò)工具旋轉(zhuǎn)模塊帶動(dòng)工具旋轉(zhuǎn)，并通過(guò)往復(fù)模塊使工具作短行程的往復(fù)振動(dòng)；工具進(jìn)給模塊使工具做長(zhǎng)行程的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。工件旋轉(zhuǎn)與施力模塊使工件產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)并對(duì)工件施加一定的加工負(fù)荷。電解液循環(huán)系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)電解液進(jìn)行循環(huán)冷卻，以確保電解槽中的電解液溫度控制在合適的范圍內(nèi)，使得磁力研磨加工得以順利進(jìn)行。

1.2 磁力工具與試驗(yàn)材料

試驗(yàn)中自制的環(huán)形磁刷工具結(jié)構(gòu)如圖2所示，由繼鐵A、繼鐵B、磁鐵C以及一個(gè)鋁合金圓環(huán)組成，并在繼鐵外層覆蓋著由酚醛樹(shù)脂制成的外殼A與外殼B。繼鐵A與B的厚度均為6 mm，材質(zhì)為低碳鋼，繼鐵之間夾持一個(gè)鋁合金圓環(huán)，目的是防止電解液流入以及支撐磁性顆粒。繼鐵A的上方設(shè)有一個(gè)螺絲，用來(lái)連接機(jī)臺(tái)主軸。螺紋下方的圓錐面在連接時(shí)可與主軸的圓錐面配合，以保證主軸與工具圓心在同一軸線上。繼鐵外的酚醛樹(shù)脂外殼可以控制電解時(shí)電流的流動(dòng)區(qū)域，并防止繼鐵被電解液腐蝕。此外，為了防止電解液由接合處的微小縫隙滲入工具內(nèi)部，所有接合處在組合時(shí)均涂上硬化樹(shù)脂，最后再用平頭螺絲將所有零件鎖緊固定。

圖2 環(huán)形磁刷工具結(jié)構(gòu)示意

試驗(yàn)選用材料為SUS304的不銹鋼套，其工件尺寸如圖3所示。由于鋼套內(nèi)圓表面留有明顯的加工刀痕，因此在進(jìn)行試驗(yàn)前必須進(jìn)行處理。處理方式是使用車(chē)床夾持鋼套并慢速旋轉(zhuǎn)，使用自制圓棒治具卷取砂紙，依序以240、400、600、800號(hào)砂紙研磨鋼套內(nèi)孔表面，研磨結(jié)束后測(cè)得其最大高度粗糙度=0.50 μm，表面平均粗糙度=0.12 μm。

圖3 SUS304不銹鋼套的幾何形狀與尺寸

1.3 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定

在電解復(fù)合磨粒的磁力研磨試驗(yàn)中，磁粉選用鐵粉；磨粒為AlO微粒，磨粒粒徑分別為1、3 μm，磨粒數(shù)量為50 g/L；電解液為NaNO，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%；表面活性劑采用十二烷基硫酸鈉，濃度為50 mg/mL。固定參數(shù)為鐵粉粒徑、鐵粉質(zhì)量、工件及工具轉(zhuǎn)速等，可變參數(shù)為進(jìn)給速率、振動(dòng)頻率、加工負(fù)荷、電解液流量與加工電流等，加工時(shí)間設(shè)定為10 min。詳細(xì)的試驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 純磨粒的磁力研磨

當(dāng)磁力工具振幅為0時(shí)，在不同加工負(fù)荷(1、1.5、2 N)和不同氧化鋁磨粒粒徑(1、3 μm)下研磨工件內(nèi)圓表面，研磨結(jié)束后，觀察工件表面粗糙度和的變化，結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯觯罕砻娲植诙认陆档乃俣扰c加工負(fù)荷成正比關(guān)系。這是由于較大的加工負(fù)荷使磨粒切入工件表面的深度增加，使得材料移除量隨之增加。由圖4(a)可知：3種負(fù)荷的表面粗糙度的變化在研磨6 min后開(kāi)始減緩，并在=10 min時(shí)趨于平緩。由圖4(b)可知：由于粒徑為1 μm的磨粒的材料移除量較粒徑為3 μm的磨粒少，在研磨14 min后其表面粗糙度的變化才逐漸趨于平緩，但與3 μm磨粒的研磨效果相比，其表面粗糙度較低。

圖4 不同加工負(fù)荷與磨粒粒徑研磨加工的工件表面粗糙度

當(dāng)工具振幅為5 mm、磨粒粒徑為3 μm、加工負(fù)荷為2 N時(shí)，探討不同振動(dòng)頻率對(duì)表面粗糙度的影響，結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯觯涸谡駝?dòng)頻率為3和4 Hz時(shí)，表面粗糙度下降的速度隨著振動(dòng)頻率增加而增加；然而，在振動(dòng)頻率大于4 Hz后，表面粗糙度下降的速度反而減少。這是由于加工時(shí)對(duì)工具施加振動(dòng)，增加了單位時(shí)間內(nèi)磨粒刮擦工件表面的移動(dòng)距離，使研磨量增加，但振動(dòng)頻率過(guò)大時(shí)，磁刷在振動(dòng)方向上因承受過(guò)大的加工力使得結(jié)構(gòu)被破壞，影響了研磨效果。綜合上述分析可知，在純磨粒的磁力研磨中，最佳的加工條件為磨粒粒徑3 μm、加工負(fù)荷2 N、振動(dòng)頻率4 Hz。加工10 min后工件的表面粗糙度=0.198 μm、=0.045 μm。

圖5 不同振動(dòng)頻率下工件表面Rmax和Ra

2.2 純電解的磁力研磨

在負(fù)荷為2 N、振動(dòng)頻率為4 Hz、不添加磨粒以及不同加工電流下，工件表面研磨10 min后，其表面粗糙度如圖6所示。圖中0 mA代表無(wú)加工電流，僅以鐵粉刮擦工件表面，此時(shí)可以看到表面粗糙度僅稍微下降，這表示鐵粉的加工研磨量非常少；在加工電流為0～200 mA時(shí)，工件表面粗糙度隨著加工電流上升而逐漸下降，表示此電流區(qū)間內(nèi)被加工材料被均勻電解了，此時(shí)研磨加工正常；在加工電流為200～400 mA時(shí)，工件表面粗糙度隨著加工電流的增加而迅速上升，甚至高于原始表面粗糙度，這是因?yàn)榇藚^(qū)間的電流過(guò)大，工件表面發(fā)生了非均勻電解，導(dǎo)致研磨加工表面質(zhì)量變差。在此純電解的磁力研磨中，當(dāng)加工負(fù)荷2 N、加工電流200 mA時(shí)可獲得最佳的研磨效果，研磨10 min后工件表面粗糙度=0.292 μm、=0.069 μm。

圖6 加工電流對(duì)工件表面粗糙度的影響(加工負(fù)荷2 N、振動(dòng)頻率4 Hz)

2.3 電解復(fù)合磨粒的磁力研磨

圖7所示為在磨粒粒徑3 μm、加工負(fù)荷2 N、振動(dòng)頻率4 Hz以及不同加工電流下研磨工件內(nèi)孔表面后測(cè)得的表面粗糙度與的變化曲線?？梢钥闯觯寒?dāng)加工電流為50、200 mA時(shí)，工件的表面粗糙度與下降速度較快，而加工電流為400 mA時(shí)，工件表面粗糙度下降速度則較為緩慢，其中加工電流在200 mA時(shí)，工件的研磨效果最佳。此時(shí)，工件研磨10 min后，其表面粗糙度=0.146 μm、=0.033 μm，該數(shù)值優(yōu)于純磨粒和電解的磁力研磨結(jié)果。這是因?yàn)榧庸る娏髟?00 mA時(shí)，鈍態(tài)膜生成速度與磨粒磨削剛好達(dá)到平衡，此時(shí)電解復(fù)合磨粒表現(xiàn)出最理想的磁力研磨效果。但在50 mA的電流下進(jìn)行研磨時(shí)，由于加工電流強(qiáng)度不足，電解效果較弱，工件表面僅有少量鈍態(tài)膜生成，此時(shí)主要以磨粒磨削加工為主，雖然工件的表面粗糙度與下降速度較快，但表面研磨質(zhì)量并不理想；而在400 mA的電流下進(jìn)行研磨時(shí)，由于鈍態(tài)膜的生成速度過(guò)快，磨粒來(lái)不及磨削鈍態(tài)膜，從而導(dǎo)致工件表面研磨質(zhì)量較差，而且研磨效率也較低。

圖7 不同加工電流下工件表面Rmax和Ra(磨粒粒徑3 μm、負(fù)荷2 N、振動(dòng)頻率4 Hz)

2.4 兩階段研磨加工

由圖7所示的電解復(fù)合磨粒的磁力研磨結(jié)果可知：工件表面粗糙度在為0～4 min時(shí)下降較快，之后逐漸減緩。這表示在為0～4 min時(shí)，工件具有較理想的研磨加工效率。另外，由前述純磨粒的磁力研磨結(jié)果可知，要進(jìn)一步降低工件表面的粗糙度就必須使用更小粒徑的磨粒。因此，使用不同粒徑的磨粒進(jìn)行兩階段的電解復(fù)合磁力研磨試驗(yàn)，即第一階段使用3 μm的磨粒研磨4 min；第二階段將磨粒改為1 μm，再繼續(xù)研磨8 min,觀察兩階段研磨的加工效果。

兩階段電解復(fù)合磨粒的磁力研磨結(jié)果如圖8所示。可知：第一階段加工使用磨粒粒徑3 μm、加工負(fù)荷2 N、振動(dòng)頻率4 Hz以及加工電流200 mA，研磨4 min后工件表面粗糙度=0.24 μm、=0.058 μm；第二階段更換成1 μm的磨粒，研磨至12 min時(shí)，工件表面粗糙度進(jìn)一步下降至=0.112 μm、=0.024 μm，此時(shí)研磨區(qū)域已達(dá)到鏡面加工效果。使用數(shù)字相機(jī)拍攝加工前、后的不銹鋼套內(nèi)表面，如圖9所示?？芍何醇庸で暗匿撎變?nèi)孔表面，墊片字體模糊映射于內(nèi)圓表面上，而經(jīng)兩階段研磨后的工件內(nèi)表面，墊片字體清晰映像于內(nèi)圓表面上，表明內(nèi)圓表面經(jīng)兩階段研磨加工后已達(dá)到鏡面加工效果。

圖8 兩階段研磨加工表面粗糙度Ra與Rmax(加工負(fù)荷2 N、加工電流200 mA、振動(dòng)頻率4 Hz)

圖9 鋼套內(nèi)表面在兩階段研磨前、后的鏡面映射

3 結(jié)論

(1)在純磨粒的磁力研磨中，最佳的加工條件為磨粒粒徑3 μm、加工負(fù)荷2 N、振動(dòng)頻率4 Hz，加工10 min后工件的表面粗糙度=0.198 μm、=0.045 μm。

(2)在純電解的磁力研磨中，當(dāng)加工負(fù)荷為2 N、加工電流為200 mA時(shí)可獲得最佳的研磨效果，研磨10 min后工件表面粗糙度=0.292 μm、=0.069 μm。

(3)在電解復(fù)合磨粒的磁力研磨中，在磨粒粒徑為3 μm、加工負(fù)荷為2 N、振動(dòng)頻率為4 Hz以及加工電流為200 mA的條件下可獲得最理想的研磨結(jié)果，加工10 min后工件表面粗糙度=0.146 μm、=0.033 μm，優(yōu)于純磨粒和電解的磁力研磨結(jié)果。

(4)在工具無(wú)進(jìn)給的兩階段電解復(fù)合磨粒的磁力研磨試驗(yàn)中，第一階段加工時(shí)使用磨粒粒徑3 μm、加工負(fù)荷2 N、振動(dòng)頻率4 Hz以及加工電流200 mA，研磨4 min后工件表面粗糙度=0.24 μm、=0.058 μm；第二階段更換成1 μm的磨粒，研磨12 min后工件表面粗糙度=0.112 μm、=0.024 μm，此加工區(qū)域已被加工成鏡面。