离心式滚磨光整加工倒圆工艺的实验研究

邵新智 ，杨胜强 ，李文辉 ，刘一睿

1 引言

在机械制造业中，很大一部分零件的棱边都需要进行倒圆处理。棱边倒圆首先可以有效地去除加工残留毛刺，保证加工精度和性能；其次可以起到安全作用，避免锐角对人员和其他零件的划伤；同时，也可以方便零部件进行装配；另外，圆角也可以减少齿轮、曲轴、滚珠轴承等零件的应力集中情况。没有倒圆处理的零件，可能在淬火处理、承受冲击载荷时发生零件表面破损，从而影响到零件甚至整个机器设备的使用。

滚磨光整加工[1-3]是一种重要的表面光整加工工艺。滚磨光整加工不仅可以降低零件表面粗糙度，去除毛刺，改善零件表面物理性能，而且可以保持零件原有的尺寸精度、形状精度。滚磨光整加工设备简单，通常不要求有较高精度，设备成本低，几乎可以完成对任何材料、形状工件的加工，所以在机械制造业得到广泛应用。在滚磨光整加工中，零件与磨块产生一定的相对运动，在相对运动作用下，磨块对零件表面进行碰撞、滚压、滑擦和刻划[4]，从而会对零件棱边有倒圆角的作用。而在零件设计中，越来越多的倒圆半径的数值是明确给定的，所以确定滚磨光整加工中零件棱边处的倒圆半径很有必要。

目前国内外对此方面的研究甚少。文献[5]对滚磨光整加工中倒圆半径的演变进行了研究，并推导出倒圆半径关于时间的函数。文献[6]针对小滚柱倒圆困难，研究了研磨剂、设备、磨料以及综合作用对倒圆效果的影响，缩短了滚柱的倒圆时间。基于立式离心式滚磨设备，从测量棱边去除量入手，针对滚筒转速、磨块直径和加工时间三种主要加工参数进行了实验研究，分析这三种因素及其交互作用对倒圆半径的影响，对今后的实验和实际加工提供指导。

2 实验条件

2.1 实验设备

实验设备为BJL-LL05型离心式滚磨光整加工设备，如图1所示。LL05型设备有4个滚筒，滚筒容积为5L，最大加工长度为100mm左右，适用于各类中小型零部件的表面光整加工。其工作原理是将工件与磨块、磨液装入密闭的滚筒内，在离心机构的带动下滚筒进行公转和自转，从而带动磨块对工件进行去毛刺、倒圆、去氧化皮、抛光等光整加工。测量设备为精密电子天平和VHX-5000型超景深三维显微镜。

图1 立式离心式滚磨光整加工设备Fig.1 Vertical Centrifugal Barrel Finishing Equipment

2.2 实验试件

实验所用试件材料为45钢，尺寸为（20×20×5）mm。试件是由电火花线切割成形，然后磨床加工表面，作为滚磨光整加工的前处理，并在试件棱边处构造一个尽可能锋利，接近90°的尖角。

2.3 实验方法

为了测得试件单一棱边的金属去除量，本实验设计了一系列组合试件。组合试件由试件套和试件构成，试件套材料与试件材料一致，也选用 45钢，试件套的尺寸均为（30×30×10）mm，将试件装入不同的试件套中，通过紧定螺钉固定，即可组装成不同的组合试件，如图2所示。组合试件的作用是用来分别测量试件单个大面的金属去除量ma，试件单个小面的金属去除量mb，试件一大一小两个面以及相夹的一条棱的金属去除量mc，同时保护试件其余的面和棱边不被加工。通过计算可得到试件一条棱边的金属去除量Δm。计算公式如下：Δm=mc-ma-mb（1）

此外，这一系列组合试件的形状、大小、重量都基本相等，从而确保每组组合试件在滚筒中与磨块、液体介质的运动过程中形成的流场近似[7]，减少实验误差。

图2 组合试件图Fig.2 Combination of Specimens

2.4 实验设计

影响实验结果的因素是多种多样的，包括磨块种类、磨料尺寸、磨块装入量、滚筒转速、加工时间、以及所用液体介质[8-10]。本实验主要考察其中的滚筒转速、磨块直径和加工时间三种主要因素及其相互的交互作用。为了从较少的实验中得到尽可能多的信息，采用有交互作用的正交实验的方法进行实验设计，同时为了减少交互作用所占的列数，选用正交表L8（27），考察因素和水平，如表1所示。表头设计，如表2所示。其中第七列为空白列。

表1 正交实验因素水平表Tab.1 Factors and Levels of Orthogonal Experiments

结合前人的实验经验，实验中的磨块均选用球形氧化铝磨块，磨块装入量为60%[11]，液体介质选用自来水和HYA型磨液。磨块装入滚筒至60%后，加入水至70%左右，最后加入5%磨液。磨液的作用一方面可以软化水质，有利于水的冲洗及缓和磨块对工件的剧烈碰撞，防止工件被碰伤；另一方面，磨液可以增加工件表面的光亮度，并有防锈的功能，保护工件在水中加工后不易生锈。

3 实验结果与分析

3.1 实验结果

正交实验的棱边金属去除量和倒圆半径结果，如表2所示。其中，（A×B），（A×C），（B×C）分别代表滚筒转速、磨块直径、加工时间之间的交互作用，第七列作为空白列，用来提高正交实验误差的灵敏度[12]。ΔW表示试件的棱边去除量（单位为mg），R表示试件加工后的倒圆半径（单位为μm）。

表2 正交实验数据Tab.2 The Result of Orthogonal Experiment

3.2 结果分析

部分试件加工前后在超景深三维显微镜下的测量图，如图3所示。通过表2中数据以及图3中显微镜下的棱边测量图可以看出，在不同加工参数下，试件的倒圆半径差异都很大，由此证明，不同加工参数对试件倒圆半径有较大的影响。各组试件的棱边金属去除量与倒圆半径趋势相同，最大的棱边金属去除量只有5mg，由此可以说明，在此倒圆工艺下，加工余量很小，不会影响试件本身的尺寸精度。

图3 试件加工前后棱边测量图Fig.3 Corner Topography of Specimens Before and After Finishing（200×）

3.2.1 工艺参数对倒圆半径的影响

通过对比1号实验和5号实验，2号实验和6号实验，3号实验和7号实验，4号实验和8号实验，可以发现，倒圆半径随着滚筒转速增加而增大。这是因为随着滚筒转速的增加，磨块在试件棱边处的接触力增大，导致试件的棱边金属去除量增大，所以形成的圆角较大。通过对比1号实验和3号实验，2号实验和4号实验，5号实验和7号实验，6号实验和8号实验，可以看出，磨块直径越大，加工后的倒圆半径也越大。原因是在于直径较大的磨块质量也大，在加工时磨块携带的能量较大，对试件的撞击和磨削作用会更强烈。因此随着磨块直径的加大，试件的棱边金属去除量增大，形成的圆角也较大。通过对比1号实验和2号实验，3号实验和4号实验，5号实验和6号实验，7号实验和8号实验，可以发现，倒圆半径随着加工时间提升而增大，但两者并不是线性关系。由于开始加工的时候，试件棱边还很尖锐，这时磨块与试件棱边的接触力大，导致棱边金属去除量较大，所以圆角增大的较快。但随着圆角越来越大，磨块与试件棱边的接触力变小，圆角增大的速度也会减缓。

3.2.2 极差分析

通过正交实验得到倒圆半径的极差分析结果，如表3所示。根据极差分析的结果，各个因素对倒圆半径影响程度从大到小依次为：转速，磨块直径，加工时间，滚筒转速和磨块直径的交互作用，滚筒转速和加工时间的交互作用，磨块直径和加工时间的交互作用。主效应因素对倒圆半径的影响都比较大，而主效应因素之间的交互作用对倒圆半径的影响都相对较小。

表3 极差分析Tab.3 Range Analysis

3.2.3 方差分析

通过极差分析虽然可以得到各个因素对倒圆半径影响的主次顺序，但是无法定量的表示出各个因素对倒圆半径的显著程度。所以还有必要对实验结果进行方差分析，来确定各个因素对于实验结果是否显著。通过正交实验得到倒圆半径的方差分析结果，如表4所示。从表4的方差分析结果可以看出，主效应因素滚筒转速、磨块直径对倒圆半径的影响均显著，而加工时间和各个因素间的交互作用都不显著。这与极差分析的结果是一致的。这说明在离心式滚磨光整加工中，对零件加工后的倒圆半径，只需要考虑主效应因素参数的选择，而对于各个因素间的交互作用，则可以忽略不计。

表4 方差分析（α=0.05）Tab.4 Analysis of Variance（α=0.05）

4 结论

通过对离心式滚磨光整加工中零件棱边产生的倒圆半径进行了实验研究，得出了以下结论：（1）各因素对棱边倒圆影响的大小依次为滚筒转速、磨块直径、加工时间、各因素间的交互作用。其中滚筒转速、磨块直径的影响显著，加工时间和因素间的交互作用都不显著。（2）在离心式滚磨工艺下，试件棱边最大倒圆半径300μm，说明此工艺适合倒小圆角。