以超声辅助的软钢磨削表面功能参数的研究
陈海峰，唐金元，邵文，赵波
收稿时间：2018年1月2日/定稿时间：2018年5月9日
斯普林格出版社，斯普林格自然分社
摘要：
在工程应用中，许多表面都具有某些特定的功能特性，如轴承、密封、和润滑油保持能力。为了通过超声辅助磨削得到地表的特征，本研究采用表面轴承指数和岩心流体保持指数研究磨削速度和超声振动幅值对地表轴承和流体保持性能的影响。结果表明，在相同条件下，超声辅助磨削(UAG)的表面承载指数和岩心流体保持指数均大于普通磨削（CG）。表面轴承指数随磨削速度的增大而减小，随超声振动幅值的增大而增大，而岩心流体保持指数随磨削速度和超声振动幅值的增大而增大。利用超声辅助，我们可以进一步探讨磨削的机理来解释这些趋势。轴向振动产生更多的重叠，导致顶部相对平坦。径向的振荡产生更多的间歇凹，从而增加了流体的空间。
关键词：超声辅助磨削；表面轴承指数；岩心流体指数
- 介绍
超声辅助磨削技术的原理是通过叠加高频(16minus;40 kHz)和低振幅(2minus;30mu;m)在需求或者槽口方向振动的工具[1 - 3]或工件[4 - 6]。它既适用于韧性材料，又适用于脆性材料。与普通磨削工艺参数相比，超声辅助磨削在适当的条件下可以减少推力和热量的生成，改善表面质量。特瓦克利和艾泽哈桑[7]研究表明工件的热损伤会导致正常磨削力和切向磨削力分别降低60-70%和30-50%。帕克桥德等人[8]测量了超声辅助干式蠕变进给磨削过程中工件的温度历史和分布，发现超声振动使工件的最高温度较普通干式蠕变进给磨削显著降25.91%。陈等[9,10]对碳钢超声辅助干磨的实验结果表明，与普通干磨相比，超声辅助干磨可最大降低20%的表面粗糙度，采用阿伯特曲线具有更好的磨损性能。王等[11,12]也报道了超声振动频率和振幅对材料去除、磨削力、表面形貌和粗糙度有显著影响。研究发现，振幅和频率越高，表面质量越好[13]。研究了金刚石砂轮在超声辅助磨削过程中的磨损行为，研究发现，金刚石磨粒的解理断裂和宏观断裂比普通磨粒具有更高的活性切削刃密度，对较好的磨削性能具有积极的影响[14]。在超声振动的作用下，提高了粘结材料的去除率，提高了砂粒的突出高度和芯片的切削余量空间[15]。
如前文文献综述所示，虽然UAG和CG后的地表形貌得到了广泛的研究，但以往的研究大多集中在表面粗糙度方面。特别是在超声辅助磨削中，对磨削表面的轴承、密封性、润滑性等特殊特性的研究较少，难以通过表面粗糙度来描述。之前大部分采用阿伯特法和费尔斯通法对具有表面承载比的表面进行了功能分析。后来，基于阿伯特-费尔斯通曲线三区分类的参数集在DIN 4776中正式标准化。该参数集主要用于描述高应力面。这些功能表征方法被广泛用于将阿伯特-费尔斯通曲线的不同部分划分为不同的功能区。董等人[16]利用定义的地表轴承指数、岩心流体保持指数、河谷流体保持指数来表征地表形貌的不同功能区。这些参数在汽车工业中广泛应用于气缸表面的表征。董等人的研究表明，较大的岩石具有良好的承载性能，较大的岩石具有良好的流体保持性。因此，可以采用表面承载指数和岩心流体保持指数等功能参数作为超声辅助磨削中表征表面特定行为，这是一种新方法。
本文首先建立了超声辅助磨削试验的实验平台。在此基础上，系统地研究了振动幅值和磨削速度对轴承表面指数和岩心流体固位指数的影响。最后，从不同方向超声对颗粒运动轨迹的影响出发，进一步探讨了轴承和流体保持性能的改善机理。
图1 超声辅助干磨实验装置 表2实验条件
- 实验细节
本研究的磨削试验是在以超声装置代替传统主轴的三面NC铣床上进行的。UAG加工原理示意图如图1所示。在磨削过程中,除了主轴的旋转运动以外,砂轮作为超声振动源还在进行振动频率f（25kHz）和振幅（4、7和10um）的纵向超声振动并传播。主轴下端固定一个直径为100mm的树脂粘结剂120号 CBN砂轮，该砂轮由郑州磨料磨具研究所制造。采用尺寸为长16times;宽9times;高9 mm的12Cr2Ni4A钢(140℃回火)板形试样作为工件。工件的主要力学性能如表1所示。实验条件如表2所示。
表一：工件力学性能(12Cr2Ni4a)
随后采用100毫米/分钟的进给速率，2000 rpm的主轴转速和30um深度的碳化硅滚轮(GC120H7V)进行砂轮修正。
研磨试验结束后，用无水乙醇超声清洗样品15分钟。采用白光干涉仪(NT9100)对三维表面粗糙度参数进行了测量。为了确保试验数据的可靠性，分别进行了三次试验，每组工艺参数取平均值。
- 结果与讨论
图2磨削速度对sbi的影响 图3超声振幅对sbi的影响
图4 CG、UAG中工件表面轮廓(磨削速度800 rpm，磨削深度10um，进料300 mm/min，超声幅值10um)
图5 图6
图5工件表面高度以CG和UAG为单位，具有不同的振幅
图6 不同超声振幅下接触长度与磨削速度的关系
图2显示了磨削速度和超声振动对表面轴承指数的影响。磨削深度、进料速度和超声振动幅值分别设置为10mu;m, 300毫米/分钟,10mu;m。从图2中可以看出，随着磨削速度的增加，UAG和CG的表面轴承指数都呈下降趋势。这可能是由于表面轴承指数正比于表面粗糙度的平方，并且在5%的支承面积中和表面高度成反比，如同定义在附录中的eta;0.05。一般来说，磨削速度的提高能改善表面质量。因此，表面粗糙度随着磨削速度的增加而减小。另外，eta;0.05和高度分布和地形特征相关。一般情况下，同一加工工艺下的高度分布和地形特征变化较小。因此，表面承载指数随磨削速度的增加而增大。结果还表明，UAG在低磨削速度下对提高表面轴承指数具有一定的作用，表明UAG生产的表面具有较好的轴承性能。如图3所示，在相同的磨削速度下，Sbi随着超声振幅的增大而增大。产生上述结果的主要原因是超声振动改变了单个颗粒的轨迹。UAG的磨削轨迹是一条三维曲线，看起来像一条空间正弦曲线。其长度将大于CG的长度，说明UAG的砂目之间会相互作用，产生比CG更多的去除重叠材料。这样可以减少磨削痕迹，提高工件表面质量。图4为当二维资料的地面垂直于磨削方向CG和UAG，磨削深度、砂轮速度、进给速度分别为10mu;m, 800 r / min, 300毫米/分钟时的情况。我们可以发现CG生成的剖面具有尖峰脊，UAG生成的剖面具有相对平坦的顶部。为了进一步了解表面高度在CG5%中的支承面积，eta;0.05对地形特征的影响 我们做了实验，如图五所示,此为UAG不同超声振幅。如图5所示,表面高度的CG 1.625mu;m支承面积为5%,远远高于UAG。这可能是由于相对平顶面有较快的增长速度，轴承面积比从0增长到5%。这导致CG的表面轴承指数较低。此外，地形特征与超声振动引起的重叠效应有关，即超声振幅越大，重叠越明显。这可能也是为什么eta;0.05在相同的条件下,随超声波振幅的增加，同时也导致增加了表面轴承指数的原因。但是，随着磨削速度的增加，单粒UAG和CG的长度趋于平衡，如图6所示。这样，轨迹重叠的机会就会减少。因此，超声振动对表面轴承指标的改善作用随着磨削速度的增加而逐渐减弱。
图7磨削速度对sci的影响 图8超声振幅对sci的影响
本实验还研究了磨削速度和超声振动对岩心固液指数的影响，如图7和图8所示。从图7中可以看出，UAG和CG的岩心流体保留率指数变化趋势相似。结果表明，随着磨削速度的增大，sci值逐渐增大。这可能是由于Sci与面积成反比。如前所述，随着磨削速度的增加，切削面积减小。然后，sci值随着磨削速度的增大而增大。通过比较发现，UAG的Sci值大于CG。此外，如图8所示，在相同的磨削速度下，Sci值随着超声振幅的增大而增大。董等人的[16]研究表明，较大的流体在核心区具有较好的流体保持性。这说明UAG所产生的表面更有利于凹槽内润滑油对摩擦副的润滑。上述结果的主要原因是纯纵波只能存在于尺寸比纵波波长大的固体中。否则，由于泊松效应，另一种超声振动在径向以相同频率同时产生，但振幅小得多[17,18]。径向振幅与砂轮[19]的直径成正比。在目前的工作中，为了验证这一说法，我们使用激光位移传感器(KEYENCE公司的LK-G10型号)测量了砂轮在径向和轴向的振动幅值。测试结果证实了超声振幅在径向方向大约3mu;m,在轴向方向大约10mu;m。因此，大直径砂轮超声辅助磨削就是轴向超声辅助磨削与径向超声辅助磨削的结合。由于径向振动，刀具在切削过程中左右交替运动，导致UAG中磨削深度周期性变化，与CG相比最大深度相对较大。从图9所示的地表可以看出，由于超声振动，CG后的地表由许多小而直的磨削槽组成，而UAG的磨削槽呈正弦形状，在径向(白色区域)产生间歇性凹点。这些断续凹面增加了流体的空间，说明该类表面具有良好的流体保持性。此外，间歇凹坑的深度与超声振动幅值有关，超声作用越大，凹坑越深，导致岩心流体固位指数增大。
图9用CG和UAG对磨削工件进行表面形貌分析
- 结论
在本次研究中，采用表面轴承指数和岩心流体保持指数研究了磨削速度和振动振幅对CG和UAG地面轴承和流体保持性能的影响。主要研究结果总结如下:
（1）UAG的表面轴承指数比CG大。随磨削速度的增大而减小，随超声振幅的增大而增大，表明UAG产生的地面具有较好的承载性能。
（2）UAG的岩心流体保持指数也大于CG。随磨削速度的增大而增大，随超声振幅的增大而增大，表明UAG产生的地表也具有较好的流体保持性能。
资金信息：作者由衷地感谢中国国家自然科学基金委的支持(国家自然科学基金委)，通过批准号：51535012,51605160,和U1604255。重点研究和开发项目的支持，湖南省通过批准号2016 jc2001和中南大学的高性能复杂制造重点实验室开放研究基金 (编号Kfkt2016-8)。
附录：
表面轴承指数是用来表示表面轴承性能的参数。定义为轴承面积为5%时，RMS偏差相对于表面高度的比值，为：
（1）
Sq是表面形貌的均方根偏差和eta;0.05支承面积表面高度的5%。较大的表面轴承指数表明良好的轴承性能。
岩心流体保持指数sci是表征岩心区域流体保持性能的一个参数。定义为核心区单位采样面积的孔隙体积与均方根偏差之比，即：
（2）
Vv (h0.05)代表空隙体积表面高度为0.05,；M和N代表数量的采样点在x和y方向；Delta;x、Delta;y代表采样间隔。
出版社笔记：《自然》杂志对出版的地图和附属机构的管辖权主张保持中立。
参考文献：
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