张志斌，程 玉

(安徽水利水电职业技术学院，安徽 合肥 231603)

随着现代制造技术的发展，封闭、多孔、成形面零件的精加工需求日益提高。磨料流加工工艺(AFM)可通过微犁割和微裂纹的方式高精度、高效率、经济的对有色金属、碳钢、陶瓷等零件进行抛光处理，现已广泛应用于焊接喷嘴[1]，弹簧与碟簧[2]等复杂成形表面、多孔零件的抛光加工。

本文构建低压磨料流加工设备并对45钢工件进行抛光实验，探索低压磨料流加工工艺参数的种类与影响。

1 实验研究

1.1 实验装置

为研究低压磨料流抛光工艺参数影响，搭建低压磨料流实验装置如图1所示。图中磨料缸内径150mm，高120mm。磨料缸固定在工作台上，上端由密封盖固定，密封盖上端可增加砝码或施加正压力以构建定压定容加工环境。密封盖中部有通孔，旋转轴通过通孔带动工件在磨料缸内高速旋转实现加工。

图1 低压磨料流抛光实验装置

1.2 磨料

磨料是加工的核心要素，选取合适的磨料至关重要。磨料主要由磨粒、载体、添加剂组成，添加剂包括流变剂、补强剂等。合适的磨料需具有的特性主要包括：

(1)力学特性。磨料在加工过程中会承受多种剪切力，杨氏模量和滞后损失对加工效果影响非常显著。实际加工中，磨料的应力应变曲线是高度非线性的，因此近似以瞬时应力应变关系代替模量。实验表明：载体分子链结构越简单，弹性模量越小，反之越大。磨料流加工中，磨粒的微小尺寸可能导致磨料不连续。实际上，载体连续是很少见的。磨料中磨粒的运动过程实际上是磨粒撕裂载体向前运动的过程。现有技术表明[4]丁基橡胶II R、苯乙烯丁二烯橡胶SBR，硅橡胶Si等的撕裂强度较高，适合做磨料的载体。

(2)流变特性。实验表明磨料的粘度随剪切速率的提高而显著降低，这一现象被称为假塑性现象或剪切变稀现象。这一现象将导致加工过程中磨粒的沉淀，从而影响磨料流动性和整个磨料流加工过程。因此，在选择磨料组分材料时，应该选粘度随温度变化不大且抗剪切能力较强的材料做载体，如硅橡胶Si、苯乙烯丁二烯橡胶SBR等均较适合做磨料流加工的载体[5]。

(3)其他特性。主要包括温度稳定性。Kamal K.[6]等人发现老化温度高低由载体的化学结构决定。化学结构越复杂，老化温度越高。一种载体不见得只有1个老化温度。如果一种载体中含有多种主要元素，而主要元素的老化温度不同，则会导致载体有2个甚至多个老化温度。

实验磨料配备如表1所列，磨粒为粒度200目碳化硅颗粒，载体由分子量65000的硅胶和适量聚二甲硅氧烷组成，添加剂包括适量润滑剂、补强剂等组成，磨料质量分数分别为30%、35%、40%、45%。由表1可知，磨粒质量分数越高，磨料的密度越大。

表1 实验磨料

1.3 实验试件

图2 实验试件

如图2所示，实验试件选用直径80mm、高5mm的45号钢片，板中心孔径5mm，中心孔周围有放射性刻线。本实验主要研究低压磨料流抛光对光滑平面、刻线、边界等区域的加工效果。

1.4 实验步骤

实验中挤压力为50.3kPa，工件转速200r/min，选取磨料种类(磨料1、2、3、4)、抛光时间(5、10、15、20、30、40分钟)做为变量。首先选磨料1进行实验，在各时间点取出试件记录数据，之后改用磨料2、3、4重复上述步骤。试件抛光前后将使用电子天平称重测得材料去除量、使用金相显微镜观测试件表面光洁程度及纹理变化、使用能谱分析仪量化试件表面元素含量变化、使用表面粗糙度测试仪分析表面粗糙度、波纹度的变化。

2 实验结果

2.1 材料去除率

如图3所示，4种磨料的材料去除量均随时间呈非线性增长，材料去除率则为递减，这一规律符合试件磨损过程，也说明磨料流加工为多点切削的珩磨过程。抛光初期磨粒会去除工件表面附着物及铁锈，因此初期材料去除率很大，随着抛光继续附着层逐渐被磨去，45号钢基材的强度硬度足够高导致材料去除率下降，也说明此抛光工艺不会损害工件表面细小结构。

图3 材料去除量变化

磨料4的材料去除率最高，随着磨粒质量分数下降，材料去除率依次递减，磨料1最低。这是因磨粒质量分数越高，与试件直接接触的有效磨粒就越多，会提高材料去除率。

2.2 表面光洁程度及纹理变化

在金相显微镜下可见抛光后试件表面及刻线区域颜色明细变亮，说明经抛光可有效去除试件表面铁锈等黏着物。刻线宽度及深度没有明显变化，说明低压磨料流抛光中试件表面受力均匀，边缘、刻线等区域不会因承受过大挤压而出现过大变形或过量磨损。

2.3 元素含量变化

通过能谱分析可知，抛光前试件表面含元素主要为Fe、O、Cu、Si等，抛光后含元素主要为Fe、Si、C、Mn、O等。Fe为试件基材元素不讨论；C、Si、Mn元素含量略有上升，杂质元素种类减少说明外露基材面积增加；O元素含量标志铁锈面积大小，抛光前试件表面O原子含量63.35%，刻线区域含量10.45%，抛光后表面含量4.37%，刻线区域含量5.78%，前后对比说明低压磨料流加工对试件表面及刻线区域铁锈有很好的加工效果。

2.4 表面粗糙度

图4 表面粗糙度变化

采用轮廓算术平均偏差Ra、轮廓均方根偏差Rq描述试件二维形貌特征，由图4可知采用磨料1、2、3、4均可有效降低试件的表面粗糙度。选用磨料1、2进行抛光，可获得较低的表面粗糙度，但变化率较低；选用磨料4进行抛光，试件表面粗糙度变化率最高，但最终值较大；选用磨料3进行抛光，可获得较低的表面粗糙度及较高的变化率。这说明磨料1、2可实现试件的抛光，但因质量分数限制了近壁有效磨粒数量，导致抛光效率并不高；磨料4抛光效率高，但流动性可能较差，导致抛光结果不好，磨料3比较理想。

由图4可知，抛光15min后试件表面粗糙度即可达到较理想状态，继续抛光可进一步降低Ra、Rq值但效果不明显，Ra变化的比Rq稍大。这说明采用低压磨料流抛光15-20min即可获得较好的表面质量。

3 结 论

通过实验得到的结论如下：

(1)磨料。实验选用的4种磨料均可有效抛光45号钢试件，在不产生形位误差、不造成过大材料去除量的前提下降低表面粗糙度。

(2)抛光效果。低浓度磨料可获得较好的抛光效果但效率低，高浓度磨料则相反，质量分数40%、添加适量补强剂、润滑剂的磨料可获得最好的加工效果。

(3)磨料流抛光。低压磨料流抛光因挤压力低，会导致较低的材料去除率，因此较高压磨料流加工抛光效率低一些。