摘要：
       通過振動介質(zhì)精磨工藝中表面輪廓隨加工時間的變化對表面形成機制進行研究；對表面輪廓中分線、峰值和谷值隨時間的變化進行檢測。峰高和谷深的降低說明材料從峰值到谷值發(fā)生了塑性位移。因此，表面形成機制可以看作是材料磨除和塑性形變的共同作用；這也說明了表面粗糙度的飽和隨時間的變化關系。
關鍵詞：
       振動介質(zhì)精磨,表面形成機制,表面輪廓,表面飽和
1、引言
       磨損機制在改善零部件的表面光潔度加工工藝中十分常見，包括兩體模式和三體模式。兩體磨料加工有磨削、涂附磨具拋光等；把持牢固的磨料和工件表面相互作用。三體磨料加工則是自由磨粒線鋸切研磨；磨料被固定在襯墊和工件表面。三體磨料加工的一個典型工藝就是振動介質(zhì)精磨，待拋光工件放入盛有介質(zhì)顆粒的容器內(nèi)然后進行振動精磨；工件不和盛有介質(zhì)的容器接觸，介質(zhì)顆粒和工件相互接觸。介質(zhì)顆粒為磨料結塊。容器可以盛下10公斤的介質(zhì)顆粒。振動會引起介質(zhì)顆粒發(fā)生一定形狀的運動并促使介質(zhì)顆粒和工件表面接觸反應從而改變表面形態(tài)。
       表面變化及其與時間的關系尚未研究清楚。利用振動介質(zhì)精磨工藝得到的零部件表面粗糙度會隨著時間變化而飽和；一段加工時間之后，表面粗糙度就不再改善。因此，檢測出什么時候開始出現(xiàn)飽和有助于計算出加工次數(shù)。工件的質(zhì)量變化在不同研究中存在較大差異。Hashimoto和Debra的研究得出持續(xù)增長的變化；Baghbanan等人的研究得出飽和結論；還有一些研究表明粗糙的工件表面比光滑的表面更能夠實現(xiàn)較大的材料磨除量。而導致表面粗糙度飽和的原因及其與介質(zhì)顆粒的關聯(lián)性尚未明確。

       介質(zhì)顆粒和工件表面的相互作用對表面形成機制有重要影響。Wang等人利用SEM分析對干式、濕式精磨工藝進行研究，實驗表明在干式精磨工藝中，材料磨除機制較為正常，濕式精磨工藝中出現(xiàn)刮痕磨損，這是由于濕式精磨中摩擦減小的緣故。Ciampini等人的研究也得出類似結論，同時還證實了旋轉機制。
       對表面輪廓隨加工時間的變化進行檢測是研究表面峰值/谷值隨時間變化的另一種方法；這也是本論文所采用的實驗方法。利用檢測到的峰值/谷值變化來研究是否有材料磨除和材料移位發(fā)生，以及材料磨除量和壓痕類型數(shù)量。
       如圖二所示，建立一個峰值/谷值易識別的結構表面輪廓，求得中分線并將其作為基線；由基線得到的峰高和谷深就可以記錄。在純材料磨除條件下只有峰值被磨蝕，得到的輪廓如圖2b所示。新的中分線將會向下移動；但原來的中分線求得的峰高和谷深可以看出是否有純材料磨除發(fā)生——只有峰高會發(fā)生變化。如果谷深也改變，如圖3b所示，則說明一定量的塑性移位發(fā)生；此時峰高的變化是由材料磨除或塑形壓痕所致。

2、檢測表面輪廓變化的實驗方法
       檢測表面輪廓變化的兩個必要條件是：
       1）表面峰值和谷值自始至終都統(tǒng)一一致：由于表面峰值和谷值的形狀、大小會影響表面改性的機制，因此，表面峰值和谷值如果不一致則會在表面的不同點上出現(xiàn)多個機制。
       2）保留原始輪廓的中分線，以便對峰值和谷高的變化進行測量。
       為實現(xiàn)第一個條件，在CNC銑床上利用飛刀對工件表面進行加工，高10μm，間隔150μm。刀尖圓角半徑為7-15微米，加工材料為鈦合金。為實現(xiàn)第二個條件，將工件表面的一部分遮蓋住，如圖四所示。

       圖四：遮蓋住工件表面的一部分以保留原始中分線。在遮蓋區(qū)和非遮蓋區(qū)進行表面輪廓痕跡測量

       步驟如下：
       1）計算遮蓋部分上半部輪廓平均值，作為遮掩基準線的高度；
       2）計算遮蓋部分下半部輪廓的平均值，作為分析基準線的高度；
       3）分析基準線以上的值為峰值；
       4）分析基準線以下的值為谷值；
       5）計算遮掩基準線和峰值之間的差值，將其作為峰高；計算峰高的平均值；
       6）計算遮掩基準線和谷值之間的差值，將其作為谷深；計算谷深的平均值。
       和其他測量技術一樣，該技術也會有一定的誤差。通過分析誤差并將其列入結果分析，就可以避免數(shù)據(jù)丟失和數(shù)據(jù)誤解。通過對工件表面的精銑加工可以得到整齊的峰值和谷值；由于任何加工工藝都存在公差范圍，所以，實驗結果可以允許公差的存在。但利用遮蓋參考基準的方法則可以消除這個問題——每一次記錄遮蓋基準線時尺寸變化就會被記錄。因此，波紋、公差誤差引起的表面尺寸變化就會被消除。根據(jù)新等分線隨時間的變化計算出峰值和谷值，一些點可能會存在曲解，比如當峰值和谷值都向原始中分線移動時，新的中分線就會下降，而新的谷值位置可能保持不變。這意味著發(fā)生了塑性形變，但在計算中不會體現(xiàn)出來。
       在表面5個不同點上測量表面輪廓，振動精磨過程中每隔20分鐘進行一次峰高和谷深變化的計算。利用Taylor Hobson Formtracer測量表面輪廓。每隔20分鐘將工件拿出進行表面輪廓測量和SEM測量。
3、結果和討論
       利用表面粗糙度參數(shù)Ra對表面變化進行量化如圖5所示，可以看出明顯的表面粗糙度飽和。加工間隔出現(xiàn)的Ra變化說明隨時間單調(diào)遞減。峰高和谷深隨時間變化如圖6所示。峰高單調(diào)遞減并達到飽和；谷深也降低并達到飽和。在接近100分鐘加工時間時，峰高飽和、谷深飽和和表面粗糙度飽和都得以實現(xiàn)。圖6可以明顯看到整個工藝不僅是單次磨損的峰值，還伴隨著谷深的降低。

       圖8a為加工之前的表面形態(tài)SEM圖；8b為精磨20分鐘之后的SEM圖。由此可以看出，經(jīng)過精磨工藝的表面修補得到了改性，這些修補也即結構性表面的峰值區(qū)。峰值在初期被改性，留下谷值保持不變。這在圖8b的20分鐘時間間隔中峰值和谷值的高度變化上也可以反映出來。8c為40分鐘后表面形成的SEM圖，8d為60分鐘表面形成的SEM圖。由此可以看出，40分鐘后，谷值開始受到介質(zhì)的影響；同時表面出現(xiàn)劃痕，說明劃痕比塑性形變更能引起更大的材料磨除。在8c中也有此類反映，初期的塑性形變總量要比材料磨除小許多。60分鐘后，谷值寬度緩慢減小。如果是材料磨除引起了表面形態(tài)的變化，那么谷深將增大。但表面輪廓測量顯示，谷深寬度是減小的；這說明峰值發(fā)生了塑性形變并被推入谷值。80分鐘后（如圖8e所示），谷值基本全部形變；100分鐘后（如圖8f所示），峰值和谷值基本沒有明顯區(qū)分。
4、結論
       通過不同時間間隔下對比表面輪廓蹤跡，論文對振動介質(zhì)精磨工藝中的表面變化進行了研究。得出以下結論：
       表面粗糙度參數(shù)Ra隨加工時間最終飽和；
       峰高隨加工時間單調(diào)遞減，說明材料磨除或峰值推進下降；
       谷深隨加工時間單調(diào)遞減，說明塑性形變引起谷值增大；
       表面粗糙度參數(shù)飽和時，峰高和谷深也同時飽和；
       飽和可以看作是介質(zhì)不能再繼續(xù)填入或研磨峰值并引起谷值增加。