吳曉君，李彥磊，賈慧波，楊 洋

(西安建筑科技大學 機電工程學院,西安 710055)

0 引言

SKD-11是一種高性能的鉻合金鋼材料，不僅具有良好的韌性，還有較強防腐特性和抗高溫疲勞性能，淬火后硬度達到HRC62，被廣泛應用于復雜型面模具和航天軍工設備的高溫區(qū)域如小型航天器等關鍵零件制造。此類硬質(zhì)材料的超精加工已有了成熟的設備和工藝手段，但曲面拋光效果仍不理想。由于彈性磨具是由磨具表面較軟的磨料小顆粒對工件表面殘留峰產(chǎn)生擠壓，與工件表面接觸良好，能有效降低硬質(zhì)合金表面損傷、提高材料去除率。國內(nèi)外學者對彈性磨具磨拋機理和加工策略展開了廣泛研究，例如，Kita Y等[1]運用不同的矩陣方法建立球頭磨拋模型；V S Sooraj等[2]研究了彈性磨具材料去除率，建立了關于磨具轉(zhuǎn)速、偏移量和進動角的預測模型。Chaves-Jacob等[3]建立彈性磨輪曲面拋光接觸應力關于軌跡位置的回歸模型，對拋光力進行在線補償使接觸區(qū)磨具磨損均勻、材料去除穩(wěn)定。但是彈性磨拋加工的機理與運動方式均與傳統(tǒng)加工方式不同，磨具表面彈塑性變形和接觸區(qū)連續(xù)磨損導致接觸面壓強減小和波動，其磨拋機理非常復雜，常規(guī)磨削理論已無法解釋。本文針對SKD-11工件的高效高質(zhì)量磨拋加工，設計大量單因素和正交實驗，對SKD-11柔性磨拋機理進行了深入研究，分析材料去除率并驗證磨具磨損的影響參數(shù)及規(guī)律，為SKD-11鋼零件的加工和拋光提供了重要的理論依據(jù)。

1 實驗設計及影響因素分析

本實驗在三軸精密數(shù)控機床米科尼Mikoni430P上進行，該機床定位精度為±1μm。實驗材料為粗磨后表面粗糙度Ra為1.5～1.8μm的φ18×55mm圓柱鋼SKD-11試樣，1000#樹脂彈性磨頭，冷卻液噴嘴采用孔徑為1.2mm的高壓射流噴嘴。試件固定在旋轉(zhuǎn)工作臺上，工作臺轉(zhuǎn)速恒定為300r/min。試樣表面形貌通過alicona INFINITE Focus三維形貌儀進行測量。

為了衡量磨削效果的優(yōu)劣，實驗首先使用單因素優(yōu)選法，取磨削后的表面粗糙度作為優(yōu)化指標，分析各要素對表面粗糙度影響的比重，即通過少于或遠少于M個實驗中從M個點中找出最優(yōu)點來，并確定正交實驗的有效實驗范圍。

首先選磨具直徑作為因素，根據(jù)實際工況與實驗設備限制，取磨具直徑D的水平為10、20、30、40、50mm，磨拋深度t的水平為0.1、0.2、0.3、0.4mm，進給速度V的水平為10、20、30、40mm·min-1，射流速度v的水平為4、6、8、10、12m·s-1，進行實驗。

如圖1所示，磨削速度隨著磨具直徑的增加而增加，較多磨粒參與切削，而磨削速度導致磨粒的切削速度低于表面金屬的塑性變形速度[4]，故磨具直徑與表面粗糙度Ra近似符合線性反比關系。然而，根據(jù)目前工作實際情況，加工過程中工件受到凹曲率的限制，過大磨頭的直徑不適宜用于各類凹凸表面，故球頭磨具最佳直徑為D=50 mm。

由赫茲接觸理論可知，接觸面積一定程度隨t增加而擴大，當t較小時，磨粒對金屬表面殘留峰的切削作用較小，表面只有少量材料被去除，另外由于SKD-11材料導熱性差，高黏性會使磨拋過程中產(chǎn)生的積屑瘤與磨粒間的相互堵塞[5]，導致磨削后表面質(zhì)量較差；當t=0.3mm時，此時接觸壓力接近磨具臨界點，t大于臨界值0.3mm后磨具有效工作面積變化很小，同時接觸壓力增大使磨粒磨鈍脫落現(xiàn)象加劇，造成材料去除率上升趨勢減緩甚至下降，隨著設定磨拋深度的增大，有效工作面積變化很小，同時接觸壓力增大使磨粒磨鈍脫落現(xiàn)象加劇，對表面質(zhì)量改善不利。因此最佳磨拋深度t=0.3mm。

對于磨拋深度、磨具轉(zhuǎn)速給定的彈性磨具，進給速度V增大使磨拋軌跡間行距增大，單位長度磨具走刀次數(shù)減小，工件表面殘留高度增加，磨屑附著且堆積在磨粒上，而且當進給速度過快時，磨屑無法及時排出，易造成加工誤差[6]，因此最佳進給速度V=10mm/s。

由于切削液射流速度v的增加，試件表面粗糙度下降比較明顯。且高速的切削液可以清理磨具表面，去除表面的切屑，改善磨具的加工條件，有效的降低磨具表面粗糙度，因此最佳射流速度v=12m/s。

圖1 各因素對表面粗糙度的影響

2 正交實驗優(yōu)化分析

根據(jù)上文中的單因素優(yōu)化結(jié)果，對φ18×55mm的試樣進行四因素四水平正交磨削試驗并建立表格，水平與因素如表1所示。

表1 正交實驗因素及水平

實驗結(jié)果選取磨拋面上3個不同的點進行測量并平均處理后得到，以減少隨機因素影響，結(jié)果如表2、表3所示。

表2 正交實驗結(jié)果

極差值R標志著各加工參數(shù)對表面粗糙度Ra的響應程度,R越大,離散程度越大[7]，該因素對Ra的響應程度就越大。Ki表示各參量的對Ra的平均響應值。由表3中R與K值可知，各因素對SKD-11材料表面質(zhì)量的影響程度為：磨具直徑>磨拋深度>射流速度>進給速度。故可得出最佳工藝組合為A4C3D4B1，即磨具直徑D=50mm，設定磨削深度t=0.3mm，射流速度v=12m/s，進給速度V=10mm/min。分別將最優(yōu)方案進行多次重復實驗, 采用最佳工藝參數(shù)研磨后的表面粗糙度Ra為0.133μm，表面紋理清晰且無劃痕和凹坑，塑性變形較輕，表面質(zhì)量得到了較大改善。通過對比得知,該方案最優(yōu)。

表3 極差分析表

3 射流速度優(yōu)化

在磨拋加工中，切削液的作用主要在于切屑沖洗、冷卻、潤滑和工作表面的化學保護[8]。因此，傳統(tǒng)的磨拋加工均有目的地通過噴嘴輸送流體的方法實現(xiàn)其工藝性能。由于轉(zhuǎn)動的彈性磨具柔性外表面與工件表面之間易產(chǎn)生楔效應，在磨拋區(qū)產(chǎn)生流體動壓力，阻礙切削液的進入。只有能夠到達磨拋觸點內(nèi)部的流體，才能起到冷卻和潤滑的作用。

流體實驗中，在低雷諾數(shù)的情況下，因為有分子間的相互作用，當慣性力沒有遠大于摩擦力的時候，分子間的擾動會被耗散掉，此時流動是平滑的，而當使用高速射流對準磨拋區(qū)時，雷諾數(shù)大于臨界值時，從層流向湍流轉(zhuǎn)捩的過程中，層流因受擾動開始向不規(guī)則的湍流過渡，導致流動呈無序的混亂狀態(tài)。而納維-斯托克斯方程(N-S方程)可以合理的描述湍流，由N-S方程及流體流動的連續(xù)性方程聯(lián)立得：

(1)

圖3 Fluent球頭磨具表面氣流仿真結(jié)果

如圖3所示(圖中A為磨削區(qū))，在彈性磨具與工件間距最小的區(qū)域，動壓達到峰值，壓力梯度變化較大，產(chǎn)生了高壓區(qū)阻礙切削液的進入。由于液體動量大于空氣動量，因此優(yōu)化射流速度不僅可以增加切削液通過接觸區(qū)域的有效流量，還可以有效的排出空氣，進一步加大對接觸區(qū)域的潤滑作用和冷卻作用，更可有效的改善工件的表面質(zhì)量并降低表面粗糙度。

因湍流的流場復雜且隨機性較多，需要從統(tǒng)計學的角度來進一步確定最佳的射流速度。研究表明，射流速度過高會導致磨具震動、生產(chǎn)成本過高、切削液霧化等問題，而射流速度過小則會影響冷卻和潤滑的效果。見如圖4，取上文中最佳工藝組合，射流速度取值范圍在2～22m/s之間進行單因素實驗[9]。磨拋后試塊的表面粗糙度測量使用Alicona INFINITE Focus三維形貌儀，測量沿工件進給方向，評定長度5 mm，選取多個點測量輪廓算術平均偏差。

圖4 射流速度優(yōu)化實驗

圖5表明，射流速度與表面粗糙度的關系呈近似線性關系在不斷降低。當v=19m/s時，粗糙度最低為Ra= 0.056μm。但之后再提升射流速度，由于過高的沖擊力易導致磨具振動并受到表面侵蝕，表面粗糙度有上升的趨勢。

圖5 射流速度與表面粗糙度的關系

圖6b為射流優(yōu)化下SKD-11工件表面形貌，相比圖6a正交優(yōu)化試驗中minRa的參數(shù)組合條件下磨拋后的工件表面形貌有明顯改善，工件表面已無明顯劃痕，表面光潔度較高，磨拋效果良好。

(a) minRa組合優(yōu)化下的表面形貌 (b)最佳射流速度優(yōu)化下表面形貌 圖6 最優(yōu)參數(shù)下拋光后的表面效果

4 結(jié)論

本文提出了一種針對使用彈性磨拋SKD-11合金并提高表面效果的有效方法，并通過多種優(yōu)化實驗得到以下結(jié)論：

(1)各因素對表面粗糙度的影響程度為：球頭彈性磨具直徑>設定的磨拋深度>射流速度>進給速率。球頭彈性磨具直徑、射流速度增加，表面粗糙度值降低。磨拋深度增加，表面粗糙度值先減小后增大。進給速度增加，表面粗糙度值增加。按照最佳組合參數(shù)進行反復測試，得到的表面粗糙度Ra最低為0.133μm。

(2)以射流速度為優(yōu)化指標，在正交優(yōu)化實驗基礎上所優(yōu)化的射流速率為19m/s，實驗后的表面形貌效果表明該方案是彈性磨具磨拋下獲得高表面質(zhì)量的最佳解決方案，表面粗糙度降至0.056μm，相比正交實驗參數(shù)組合表面粗糙度降低了58%，表面損傷情況得到較大改善，表面質(zhì)量一致性較好，優(yōu)化推導與實驗結(jié)果一致。