（机械制造及其自动化专业论文）基于单片机的汽缸珩磨机数控化改造应用研究.pdf

摘要 汽缸珩磨加工是汽车发动机缸筒修复过程中的重要环节。随着汽车保有量 的增加，发动机维修量也激增。汽缸珩磨机是二级以上汽车维修企业必备的设备。 目前，大多数维修企业使用的还是用手动调行程挡块进行循环控制的小型简易珩 磨机，这种机床加工不同型号的缸筒时，工艺参数调整占用时间较长，且难以准 确控制，造成生产效率低，维修精度差，且对加工人员的技术要求较高。 论文在分析了珩磨工艺过程的基础上，找出了影响加工效率和精度的几个 关键问题，提出了参数选择方案，以期达到缩短加工时间、降低工人劳动强度和 提高加工精度的目的。本文针对近年来使用量较大的上海航空设备厂生产的 3 m 9 8 1 4 珩磨机进行了以下几方面的研究： 1 根据加工工艺过程特点，找出了珩磨应重点控制的参数，探索使用精确 控制珩磨头速度、行程和砂条探出量的方法，使加工速度快，网纹夹角准确且更 细密，尺寸更准确。 2 设计了一种循环控制系统，该系统应用微机控制比例换向阀确定磨头往 复速度，并配合光电编码器控制行程和换向点。结构简单，定位快速准确。 3 进行了微机控制系统的硬件设计，系统使用a t 8 9 c 5 2 单片机，通过外围 芯片扩展和辅助电路设计，使系统可对行程定位及珩磨冲程和短冲程进行数字控 制。 ? 4 进行了控制系统软件开发，内部根据常用机型建立了缸筒参数数据表， 方便用户调用。并可根据加工需要增加加工机型数据，以适应新机型珩磨加工需 要。 5 进行了相关实验，验证了设计的可行性及不足之处。 关键词：汽缸珩磨 比例换向阀行程控制短冲程 a b s t i 认c t c y l i n d e rh o n i n gp r o c e s s i n gi s a l li m p o r t a n tp a r to ft h ee n g i n ec y l m d e rr e p a i r p r o c e s s a l o n gw i t ht h ei n c r e a s eo ft h ea u t o m o b i l ei n v e n t o r y , a l s ot h ee n g i n es e r v i c e q u a n t i t yi n c r e a s e ss h a r p l y h o n i n gm a c h i n ei sn e c e s s a r yt ot h ea u t o m o b i l es e r v i c e e n t e r p r i s eo ft h et w ol e v e l so ra b o v e a tp r e s e n t m o s ts e r v i c ee n t e r p r i s e su s es m a l l s i m p l eh o n i n gm a c h i n e sw h i c ha r cc o n t r o l l e dm a n u a l l y w h e nt h i sk i n do fm a c h i n e p r o c e s s e sd i f f e r e n tm o d e lc y l i n d e r s ，i tt a k e sl o n gt i m et oa d j u s tt h et e c h n o l o g i c a l p a r a m e t e ra n di t i sd i f f i c u l tt ob ec o n t r o l l e da c c u r a t e l y t h i sw i l lr e s u l ti nl o w p r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya n d b a ds e r v i c ep r e c i s i o n n es p e c i f i c a t i o nt op r o c e s s p e r s o n n e li sh i g h b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h eh o n i n gp r o c e s s ，s e v e r a lk e yq u e s t i o n sw h i c h i n f l u e n c ep r o c e s s i n ge f f i c i e n c ya n dp r e c i s i o na r ef o u n da n dap l a nf o rp a r a m e t e r c h o i c ei sp r o p o s e di no r d e rt or e d u c et h ep r o c e s s i n gt i m ea n dt h ew o r ki n t e n s i t y , a n d t oi m p r o v et h ep r o c e s s i n gp r e c i s i o n t h i sa r t i c l eh a sc o n d u c t e dr e s e a r c h e so n3 m 9 8l4 w h i c hi sm a s s i v e l yu s e di nr e c e n ty e a r sa n dm a d eb ys h a n g h a ia v i a t i o np l a n t , i n c l u d i n g ： 1 a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fp r o d u c t i o np r o c e s s ，t h ep a p e rf o u n dt h e k e yp a r a m e t e r sw h i c hs h o u l db ec o n t r o l l e di nh o n i n ga n de x p l o r e dt h em e t h o dt o c o n t r o lt h es p e e do fh o n i n gh e a d ，s t r o k ea n ds t r e t c h i n gs i z eo fh o n i n gs t o n ei no r d e rt o i n c r e a s et h ep r o c e s s i n gs p e e da n dt om a k ev e i ni n t e r s e c t i o na n g l ea n dd i m e n s i o n a c c u r a t e 2 ak i n do fc y c l i cc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e d w h i c hu s e st h ep r o p o r t i o n d i r e c t i o nv a l v ec o n t r o l l e d b ym i c r o c o m p u t e r t od e t e r m i n et h e h o n i n gh e a d r e c i p r o c a t i o ns p e e da n dc o n t r o ls t r o k ea n dt h ec o m m u t a t i o ns p o ta s s i s t i n gw i t ha p h o t oe l e c t r i c i t ye n c o d e r t h es t r u c t u r eo ft h i ss y s t e mi ss i m p l ea n dt h el o c a t i o ni s r a p i da n da c c u r a t e 3 i td e s i g n e dt h eh a r d w a r eo ft h em i c r o c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e mt h r o u g ht h e e x p a n s i o no ft h ep e r i p h e r yc h i p sa n dt h ed e s i g no fa u x i l i a r yc i r c u i tt om a k et h e s y s t e mc a nc o n t r o lt h et r a v e l i n gl o c a t i o na n dh o n i n gs t r o k ea n ds h o r ts t r o k e n u m e r i c a l l y 4 s o f t w a r ed e v e l o p m e n ti sd o n et ot h ec o n t r o ls y s t e ma n dd a t as h e e tf o r n o r m a lc y l i n d e ri se s t a b l i s h e db a s e do nt h em a c h i n em o d e l sw h i c ha r ec o m m o n l y u s e d ，s oi ti sc o n v e n i e n tt ot h ec u s t o m e r s a c c o r d i n gt ot h ep r o c e s sn e e d s w ec a n i n c r e a s et h ep r o c e s sm a c h i n em o d e ld a t at om e e tt h en e e d so ft h eh o n i n gp r o c e s so f t h en e wm a c h i n em o d e l 5 t h er e l a t e de x p e r i m e n t sa r ec a r r i e do na n dt h ed e s i g nf e a s i b i l i t ya n dt h e d e f i c i e n c ya r ec o n f i r m e d c y l i n d e rh o n i n g p r o p o r t i o nc r o s sv a l v e t h et r a v e l i n gs c h e d u l ec o n t r o l st h es h o r ts t r o k e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁注盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：锄 签字日期： 2 纠年f 月，7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤洼盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：锵 签字日期：吲年m f 7 日 导师签名： 卞菁 签字醐：叩引月加日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 内圆珩磨j j n - r 特点和内圆珩磨机床应用 1 1 1 内圆珩磨加工特点 珩磨产生于2 0 世纪2 0 年代初期，是一种常用的精加工工艺，可获得高尺寸 精度、高形状精度和低粗糙度，并且表面有交叉网纹。珩磨的种类有平面珩磨、 外圆珩磨、内圆珩磨等。目前，世界上应用最多的是内圆珩磨。内圆珩磨的是利 用可涨缩的磨头使磨粒很细( 2 8 0 # - w 2 0 ) 的珩磨条压向工件表面以产生一定的接 触面积和相应的压力( 2 - 5 k g c 舻) ，珩磨油石在适当的冷却液作用下对被加工内 孔既作旋转和往复的综合运动( 使磨削纹路交叉角为3 0 - 6 0 度) ，改善表面应力 情况从而加工出有网纹的内孔表面，加工后基本不产生变质层，因此提高了加工 质量。 一、加工精度高 特别是一些中小型的通孔，其圆柱度可达0 0 0 1 m m 以内。一些壁厚不均匀 的零件，如连杆，其圆度能达到0 0 0 2 m m 。对于大孔( 孔径在2 0 0 m m 以上) ，圆度也 可达0 0 0 5 m m ，如果没有环槽或径向孔等，直线度最高可达到0 o l m m l m 。珩磨比 磨削加工精度高，因为磨削时支撑砂轮的轴承位于被加工孔之外，会产生偏差，特 别是小孔加工，磨削精度更差。珩磨一般只能提高被加工件的形状精度，要想提高 零件的位置精度，需要采取一些必要的措施。如用面板改善零件端面与轴线的垂 直度( 面板安装在冲程托架上，调整使它与旋转主轴垂直，零件靠在面板上加工即 可) 。 二、表面质量好 表面粗糙度可达r a o 8 - 1 p r o ，最低可达r a o 0 1 3 p m ，表面为交叉网纹，有利 于润滑油的存储及油膜的保持。有较高的表面支承率( 孔与轴的实际接触面积与 两者之间配合面积之比) ，能承受较大载荷，耐磨损，从而提高了产品的使用寿 命。珩磨速度低，只有磨削速度的1 3 - 1 6 0 ，由于是以面接触的方式来弥补磨 削效率损失，所以磨削点数多，每个磨粒的垂直负荷仅是磨削的1 5 0 - 1 1 0 0 。 因此，每一切削刃的平均单位时间发热量是磨削的l 1 5 0 0 一l 3 0 0 0 ，这样在珩磨 时工件的发热量很小，工件表面几乎无热损伤和变质层，变形量很小。珩磨加工 面几乎无嵌砂和挤压硬质层，而且还可以去除前道工序的加工变质层。 三、加工范围广 第一章绪论 主要加工各种圆柱形孔：通孔、轴向和径向有间断的孔、有径向孔或槽的孔、 键槽孔、花键孔、盲孔、多台阶孔等。另外，用专用珩磨头还可加工圆锥孔、椭 圆孔等，加工孔径最小可达5 m ，最大可达1 2 0 0 m m 以上，而加工长度可达l d - - 1 0 或更高，这是一般磨床不能比的。珩磨几乎可以加工任何材料，近年来金刚石和 立方氮化硼磨料的应用，进一步拓展了珩磨的运用领域，同时也大大提高了珩磨 加工的效率。 四、切削余量少效率高 珩磨时参加切削的磨粒数为磨削的1 0 0 - 1 0 0 0 倍，珩磨阀套类工件时，金属 切削率达b 0 9 0 r a m 3 s ，比研磨高2 - 8 倍。珩磨是所有加工方法中去除余量最少 的一种加工方法，在珩磨加工中，珩磨工具是以工件作为导向来切除工件余量而 达到工件所需的精度。珩磨时，珩磨工具先珩工件中需去余量最大的地方，然后 逐渐珩至需去除余量最少的地方。 五、纠孔能力强 由于其它加工工艺方面存在不足，致使在加工过程中会出现一些加工缺陷。 如：失圆、喇叭口、波纹孔、尺寸小、腰鼓形、锥度、镗刀纹、铰刀纹、彩虹状、 孔偏及表面粗糙度过大等( 见图1 ) 。采用珩磨工艺加工可以通过去除最少加工余 量，从而极大地改善孔和外圆的尺寸精度、圆度、直线度、圆柱度和表面粗糙度。 回回回国 锥度镗刀纹绞刀纹彩虹状串联孔不同轴 臼目 国 失圆喇叭口波纹孔尺寸小腰鼓形 图卜l 零件加工过程中出现的几种加工缺陷 1 1 2 内圆珩磨机床 世界上珩磨机床的制造厂家很多，国外的专业生产厂家主要有：德国格林 ( g e h r i n g ) 、德国纳格尔( n a g e l ) 、美国善能( s u n n e n ) 、英国( j 9 6 s ) 公司、日 本千岛( c h i s h i m a ) t _ 业株式会社、日本东洋( t o y o ) 现代技术公司、日本日进 ( n i s s l n ) 、日本的a o b a ( 青叶) 公司、三菱( m i t s u b i s h i ) 公司等。国内也有近 2 0 余个厂家生产各种珩磨机床，如大河机床厂、宁波4 3 3 2 厂、北京第三机床厂、 大连机床厂、山东德州机床厂、山东枣庄机床厂等。 第一章绪论 珩磨机床的分类有很多种，如单轴，多轴的不同；如数控的，机械的差别； 通常根据珩磨主轴的安装方式可分为以下二种： 一、立式珩磨机床 其珩磨主轴是垂直于工作台面。可以做成单头、双头及多头，珩磨工位可以 做成2 个、4 个及多个，主轴的排列可以为圆形或直线式。立式珩磨机床可以增 加在线测量和全闭环控制，保证加工零件的尺寸一致性，其结构有利于冷却液快 速带走珩磨后的切削微粒，完全避免了工件本身( 或主轴) 的重量因素在珩磨中的 不良影响。立式珩磨机床受到厂房空间的限制及本身占地面积较小的原因，不大 可能加工超长工件，如油缸。 二、卧式珩磨机床 其主轴是平行于工作台面，一般设计为单头，单头卧式珩磨机床结构简单， 又可分小型卧式珩磨和大型卧式珩磨机床，在生产线上也可设计成直线式排列。 1 1 3 珩磨在汽车零部件制造中的应用 珩磨加工要求工件或者装夹油石的磨头之一处于相对浮动状态，珩磨加工 能提高内圆的几何形状精度，比如直线度、圆度、锥度及表面粗糙度。从9 0 年 代以来，国内珩磨机床的应用却越来越广泛，大有替代内圆磨的趋势。珩磨主要 应用于以下场合： 1 ) 要求有珩磨网纹的零件必须运用珩磨机床加工，如汽车缸体缸套，摩托车缸 体等。珩磨后的交叉网纹能储油，形成一层油膜，在发动机工作时具有极其重要 的作用。 2 ) 一部分没有位置精度要求，只要求内孔高精度的零件，如模具导套等。在同 等条件下，珩磨机床加工所达到的内孔几何形状精度要比内圆磨高。 3 ) 有位置精度要求的一部分零件如连杆，轴套等，采用珩磨工艺，由于工件或 装夹油石的磨头之一处于相对浮动状态，不会出现破坏位置精度的情况。只要珩 磨后能提高内孔的几何形状精度，就达到了加工的效果。 先进的精密孔加工设备和技术在汽车及零部件加工业的应用十分广泛，比较 典型的应用有发动机缸体、缸套、连杆、齿轮、油泵油嘴、刹车泵、刹车鼓、油 缸、转向器、增压器等。如： 一、珩磨在发动机缸体、缸套制造与维修行业的应用 发动机缸体、缸套制造厂一般使用的主要是2 0 世纪8 0 年代进口的缸体珩磨 机，电气控制系统采用继电器、接触器等分立元件。近年有不少厂家开始采用数 控珩磨机，如美国善能公司c k 2 1 、s v 3 s v 4 强力立式珩磨机。 在发动机再制造行业和中、小型修理业，规模不同使用的机型相对较杂，有 第一章绪论 国产的，如大河机床厂的4 2 1 5 ，进口的s u n n e n 系列缸孔珩磨设备，如c v - 6 6 等。但使用最多的是各种简易珩磨机，本课题就是以该类机型为改造对象。 二、珩磨在油泵油嘴行业的应用 善能k g m 5 0 0 0 系列珩磨机是针对油泵油嘴行业的柱塞而开发的高精度珩 磨机，去除量为0 0 1 m m ，加工总周期为3 0 秒；圆度0 0 0 0 5 m m ；直线度 0 0 0 0 7 m m ；表面粗糙度r a 0 0 6 。实现了完全以珩代磨的目标，从而大大延长 了油泵油嘴的性能和寿命，完全达到国家排污标准。 三、珩磨在齿轮内孔加工中的应用 现在广泛使用珩磨工艺的汽车齿轮有行星轮、太阳轮、双联齿轮等。 四、珩磨在增压器零件上的应用 根据增压器中间壳的材料和内孔的特殊结构形式，可采用电镀金刚石磨粒套 作为珩磨工具，多立轴结构型式，可以实现在一个循环过程中完成粗加工、半精 加工、精加工和去毛刺等多个加工工序，多工位转台可以实现加工过程的自动化， 提高了工作效率。 1 2 课题的提出和研究的意义 1 2 1 珩磨机床的未来发展方向 小型卧式珩磨机床向复杂化、数控化方向发展。卧式珩磨机床目前很少做到 闭环控制，因此无法严格保证大批量生产的超高加工精度。未来的小型卧式珩磨 机床通过n c 控制，主动测量，应当能提高加工零件的尺寸一致性。目前，大型 卧式珩磨机床的发展很迅速，已经作到n c 控制，远程测量反馈，半闭环控制。 立式珩磨机床将在目前完全闭环控制的基础上发展超高速主轴系统，进给频率更 快，进给量小的进给系统，能够自我修整珩磨油石的珩磨系统或者珩磨中心，消 除各种人为因素的影响。目前，珩磨机床能实现平面、外圆、内圆的珩磨加工； 通过珩磨工具的改进，能够实现椭圆内孔和曲面的珩磨。在珩磨外圆领域，将取 得突破性进展，能够在大多数外圆加工中取代外圆磨。 珩磨机床作为复杂的生产工具，最根本的是加工工艺与主机结构布局设计， 而各种新工艺、新材料、新元件、新刀具、新控制系统等也将运用在珩磨机床上， 未来的珩磨机床的加工精度会更高、加工效率更快、加工范围更广泛。 1 2 2 汽缸珩磨机数控化改造的现实意义 汽缸珩磨加工是汽车发动机缸筒修复过程中的重要环节。随着汽车保有量的 第一章绪论 增加，发动机维修量也激增。近年来一些资金实力较强的企业购置了数控珩磨机， 如s u n n e n 的c k - 2 1 来取代原有的设备，但由于价格昂贵，更多的小型维修企 业使用的仍然是用手调行程挡块进行循环控制的的小型液压珩磨机，这种机床珩 磨不同型号的缸筒时，工艺参数调整占用时间较长，生产效率低，技术经济性较 差。如果能通过简单的数控化改造，提升设备的性能，将为企业节省大量的资金， 产生很好的经济效益。特别是在老设备的数控化改造方面，技术条件已经成熟， 并已积累了丰富的经验，许多企业的机加工机床通过数控化改造，取得了可观的 经济效益，这为改造的方案拟订和实施提供了参考，避免了走更多的弯路。 1 3 课题研究的内容 本人对小型珩磨机已有多年的使用经验，结合同行的建议和要求，本着经济、 实用、安全、可靠的设计原则，拟对换向定位、行程和速度控制和循环过程中存 在的难题进行研究。 1 3 1 课题的基本方案 缸筒珩磨过程的第一步是确定磨头的上下换向点位置，在特定的机床上珩磨 一种型号的缸体时，上下换向点的位置应准确控制，本课题拟利用存储于微机中 的经优化的常用发动机缸筒珩磨控制参数，通过控制比例电磁阀实现准确换向。 这种控制方式可以避免对往复运动驱动系统做大的改动，投资少，经济性好。在 循环控制方面，为适应手动调节磨头预紧方便，每次暂停磨头应停在上止点，砂 条探出量在珩磨过程中的精确控制可提高孔的尺寸精度。短冲程珩磨应能快速的 换向，使用微机控制可方便的实现这些要求。 1 3 2 课题的主要任务 为实现珩磨过程的半自动控制，满足快速性和经济性的要求，本课题针对普 遍使用的上海航空设备厂生产的3 m 9 8 1 4 进行了以下几个方面的研究： 1 ) 研究珩磨切削过程中各参数的选择方法、换向点的确定、砂条轨迹交叠特点， 提出优化解决方案，探索提高加工精度的方法。 2 ) 设计一种循环控制系统，该系统应用微机系统控制换向点，构成简单，定位 快速准确。解决小型珩磨机手动调节费时费力且不易调准的问题。 3 ) 进行微机控制系统的硬件设计，系统以a t 8 9 s 5 2 单片机为核心，进行外围电 路扩展，使用光电编码器反馈信号实现对比例换向阀的控制。使控制精度能很好 第一章绪论 地达到加工要求。 4 ) 进行用户软件的开发，既能方便地调用常用的加工参数，也可根据需要改变 或增加加工数据，以适应新的加工需要。 第二章珩磨加工工艺分析 2 1 珩磨加工原理 第二章珩磨加工工艺分析 珩磨是利用安装于珩磨头圆周上的一条或多条油石，由涨开机构( 有旋转式 和推进式两种) 将油石沿径向涨开，使其压向工件孔壁，以便产生一定的面接 触，同时使珩磨头旋转和往复运动，零件不动；或珩磨头只作旋转运动，工件往 复运动，从而实现珩磨。工作原理见图2 1 。 a ) 工作原理图 图2 1 珩磨原理网纹形成图 b ) 网纹形成图 珩磨加工过程中，珩磨头与机床主轴之间或珩磨头与工件夹具之间是浮动 的。这样，加工时珩磨头以工件孔壁作导向。因而加工精度受机床本身精度的影 响较小，孔表面的形成基本上具有创制过程的特点，( 所谓创制过程是油石和孔 壁相互对研、互相修整而形成孔壁和油石表面。其原理类似两块平面运动的平板 相互对研而形成平面的原理) 。实质上这种表面磨削的过程就是利用有密切联系 的表面相互比较、相互检查，从中找出其间的差异，然后进行相互修整或互为基 准的加工，使加工面的原始误差不断缩小均化。此方法又称为“误差平均法刀， 珩磨就是是利用这个原理来提高加工精度的，因此对珩磨头本身的精度要求不是 很高，但珩磨条必须以原有的加工表面为导向( 因此对珩磨表面的前道工序有一 第二章珩磨加工工艺分析 定的加工要求) ，并要使珩磨条在加工表面上每一次往复的轨迹不重复，这样才 能使珩磨达到理想的效果。 珩磨头与工件表面在一定压力下通过相对运动，从加工表面上切除一层金 属。加工时磨头有三个运动，即旋转运动、往复运动和垂直与加工表面的径向加 压运动，前两种运动是珩磨的主运动，它们的合成使珩磨油石上的磨粒在孔的表 面上的切削轨迹呈交叉而不重复的网纹如图2 - 1b ) ，因而易获得低表面粗糙度的 表面。径向加压运动是油石的进给运动，加压越大，进给量越大。 珩磨时由于珩磨头旋转并往复运动或珩磨头旋转工件往复运动，使加工面形 成交叉螺旋线切削轨迹，两次行程间珩磨头相对工件在周向错开一定角度，这样 的运动使珩磨头上的每一个磨粒在孔壁上的运动轨迹亦不会重复。此外，珩磨头 每转一转，油石与前一转的切削轨迹在轴向上有一段重叠长度，使前后磨削轨迹 的衔接更平滑均匀。 当珩磨油石采用金刚石和立方氮化硼等磨料时，加工中油石磨损很小，即油 石受工件修整量很小。因此，孔的精度在一定程度上取决于珩磨头上油石的原始 精度。所以在用金刚石和立方氮化硼油石时，珩磨前要很好地修整油石，以确保 孔的精度。 2 2 珩磨的切削过程 2 2 1 定压进给珩磨 定压进给中进给机构以恒定的压力压向孔壁，共分三个阶段。 一、脱落切削阶段 这种定压珩磨，开始时由于孔壁粗糙，油石与孔壁接触面积很小，接触压力 大，孔壁的凸出部分很快被磨去。而油石表面因接触压力大，加上切屑对油石粘 结剂的磨耗，使磨粒与粘结剂的结合强度下降，因而有的磨粒在切削压力的作用 下自行脱落油石面即露出新磨粒，此即油石自锐。 二、破碎切削阶段 随着珩磨的进行，孔表面越来越光，与油石接触面积越来越大，单位面积的 接触压力下降，切削效率降低。同时切下的切屑小而细，这些切屑对粘结剂的磨 耗也很小。因此，油石磨粒脱落很少，此时磨削不是靠新磨粒，而是由磨粒尖端 切削。因而磨粒尖端负荷很大，磨粒易破裂、崩碎而形成新的切削刃。 三、堵塞切削阶段 继续珩磨时油石和孔表面的接触面积越来越大，极细的切屑堆积于油石与孔 第二章珩磨加工工艺分析 壁之间不易排除，造成油石堵塞，变得很光滑。因此油石切削能力极低，相当于 抛光。若继续珩磨，油石堵塞严重而产生粘结性堵塞时，油石完全失去切削能力 并严重发热，孔的精度和表面粗糙度均会受到影响，此时应尽快结束珩磨。 2 2 2 定量进给珩磨 定量进给珩磨时，进给机构以恒定的速度扩张进给，使磨粒强制性地切入工 件。因此珩磨过程只存在脱落切削和破碎切削，不可能产生堵塞切削现象。因为 当油石产生堵塞切削力下降时，进给量大于实际磨削量，此时珩磨压力增高，从 而使磨粒脱落、破碎，切削作用增强。用此种方法珩磨时，为了提高孔精度和表 面粗糙度，最后可用不进给珩磨一定时间。 2 2 3 定压一定量进给珩磨 开始时以定压进给珩磨，当油石进入堵塞切削阶段时，转换为定量迸给珩磨， 以提高效率。最后可用不进给珩磨，提高孔的精度和表面粗糙度。 2 2 4 手动进给珩磨 小型简易珩磨机床采用手动进给，根据珩磨阶段和切削力的变化状况，适时 调节进给压力和进给量，这种方式要求操作者有一定的加工经验，其切削过程的 特点类似于定量进给。本课题便是以手动进给珩磨机为研究对象。 2 3 珩磨工具和材料 2 3 1 珩磨头 珩磨头一端连接机床主轴接头，杆部镶嵌或连接珩磨油石。在加工过程中珩磨 头的杆部与珩磨油石进入工件的被加工孔中，并承受切削转矩，在机床进给机构 的作用下驱动珩磨油石做径向扩张，实现珩磨的切削过程。使工件孔获得所需的 尺寸精度、形状精度和表面粗糙度。不论哪一种珩磨头，它必须具备以下几个基 本条件： 1 ) 珩磨头上的油石对加工工件表面的压力能自由调整并保持在一定范围内。 2 ) 珩磨过程中，油石在磨头的半径方向上可以自由均匀地胀缩，并且磨头要有 一定的刚度。 3 ) 珩磨过程中，工件孔的尺寸在达到要求后，珩磨头上的油石能方便迅速地缩 回，使珩磨头从孔中退出。油石工作时应无冲击、位移和歪斜现象。 第二章珩磨加工工艺分析 图2 - 2 是一种简易珩磨头，其本体是用浮动装置与机床主轴相连接，油石用 粘结剂( 或机械方法) 与油石座固结在一起装在本体槽内。油石座两端由弹簧箍 住，使油石保持向内收缩的趋势。加工尺寸的调整是通过旋转螺母推动锥向下移 动，通过顶块使油石在圆周上均匀张开实现，当油石与孔表面接触后，再继续旋 转螺母，即可获得工作压力，这种珩磨头结构比较简单，制造方便、经济使用。 但工作压力的调整频繁、复杂，且珩磨过程中随油石磨损或孔径增大而不稳定。 为了自动获得恒定压力，成批或大量生产中应采用气动或液压控制进给的珩磨 头。它的优点是：在珩磨过程中，油石对工件表面的压力均匀，磨削平稳，而且 没有振动，生产效率高。但是这种磨头的结构复杂，只有在专用的珩磨机上才能 使用，一般中小型修理企业就不太适合。 图2 - 2 简易珩磨头 l 接头2 迸给螺母3 - 锥体4 弹簧5 - 油石座6 磨头本体 2 3 2 珩磨油石 珩磨油石由磨粒、结合剂及气孔三元结构组成。一般说常用陶瓷结合剂的油石 磨料占4 0 - 6 8 ，结合剂占5 - 2 4 ，气孔率占1 7 - 5 5 。决定珩磨油石的要素有磨 料的材质、粒度，结合剂材质、硬度( 强度) 、组织( 气孔率和添加剂) 。选择油 石可从以下几个方面考虑： 第二章珩磨加工工艺分析 一、油石种类 油石一般分为两大类即普通油石和特种油石，普通油石虽然价格便宜，但其寿 命短且型面保持差，适合于中、小型维修企业，大批量生产时一般不选用。在特 殊油石中，虽然金刚石的硬度最高，但其热稳定性差，磨粒的切削性能远不如立 方氮化硼( c b n ) 油石，因而在珩磨合金钢之类的工件时用立方氮化硼油石能获 得更好的切削性和经济性。 二、油石磨料粒度 选择油石粒度应满足工件表面粗糙度为前提，并非越细越好。油石越细，切削 效率越低，因此在满足工件所要求的表面粗糙度的前提下，应尽可能选粗的油石。 珩磨获得的是有深沟的平顶表面，由于珩磨时单位面积上压力小，划痕相对更浅， 珩磨油石自砺性比普通磨削方法更好，所以同粒度的磨料珩磨能获得更小的粗糙 度。表2 - 1 列出了珩磨油石粒度与粗糙度的关系 表2 - 1 珩磨油石粒度与粗糙度关系 珩磨油石磨料粒度与粗糙度r a ( p m ) 材料 1 5 0 #w 4 0 w 2 0 硬质合金 0 8 - 1 00 5 - 0 80 2 - 0 4 淬火钢0 8 - 1 00 4 - 0 80 2 - 0 4 普通钢 1 5 - 3 0o 8 1 50 6 - 0 8 铸铁1 5 - 3 01 0 - 2 0 0 4 - 1 5 铜合金 1 5 3 o1 沪1 50 6 - 0 8 铝合金 2 0 - 3 01 0 2 00 8 - 1 5 三、油石长度 油石长度是否合适直接影响到加工孔的形状精度，选择不当可能会产生喇叭 口、腰鼓、虹形、波浪形等现象，一般情况下，加工通孔时油石长度应为孔长的 2 3 - 3 2 。加工盲孔时油石长度应为加工孔长( 应包括退刀槽的2 3 - 3 4 ) 。磨汽 缸时笔者的经验是珩磨油石长度为孔深的2 3 左右效果好。 四、油石硬度和结合剂 油石硬度影响到切削性能。一般情况下，加工硬材料选用较软的油石，加工 软材料选用较硬的油石。油石一般用陶瓷结合剂，也分为多种，含硼陶瓷结合剂 强度最高，常用硬度表示粘结强度。珩磨油石硬度一般比砂轮略软，但粗珩时往 往选择硬度较高的油石。粗珩时，磨粒较大，不宜堵塞，为提高生产率需加大吃 刀量，为减少油石磨损延长使用寿命，也常选硬度较高的珩磨油石。 第二章珩磨加工工艺分析 表2 - 2 珩磨油石磨料与结合剂选择一揽表 适用的加工材料 硬 工 硬淬普不铸粉铜 铝 塑硬 结合剂 磨料种类 质 程铬火通锈 铁 末 厶厶 料橡口口 合陶合钢钢钢冶金金胶 金瓷金金 青铜金刚石 ， 0 镀镍金刚石 ，40，j 立方 ，- 氮化硼 陶瓷 白刚玉 - 结合剂 绿炭化硅 - 黑炭化硅 ，-t 白刚玉 0， 热固塑料 黑炭化硅 00t0 五、油石工作压力 珩磨油石工作压力是油石通过进给机构施加到工件表面单位面积上的力，油 石上的磨粒借以切入金属或脱落自锐。压力增加时，材料去除量和油石磨损量也 增大。但珩磨精度较差，表面粗糙度增大，当压力超过极限压力时，油石就急剧 磨损。 生产型珩磨机的珩磨压力可按表2 - 3 选取。修配型珩磨机一般取 0 。2 - 0 。5 m p a ，大余量切削珩磨压力最高可达3 m p a ，采用金刚石或立方氮化硼油 石，工作压力可提高2 3 倍。 表2 - 3 珩磨油石的工作压力( 职a ) 珩磨工序工件材料油石工作压力( 肝a )珩磨油石的极限压力( m p a ) 铸铁 0 争一1 o 粗珩陶瓷油石 2 5 钢 0 8 - 2 0 铸铁 0 2 勺5 树脂油石1 川5 粗珩 钢 0 4 - 0 8 金刚石油石3 嗍o 铸铁 o 0 5 _ 0 1 精珩立方氮化硼 2 0 弓5 钢0 0 5 由1 第二章珩磨加工工艺分析 2 3 3 珩磨速度和珩磨交叉角 图2 3 网纹图 珩磨速度v 由圆周速度v t 和往复速度v a 合成。磨粒在加工表面上切削出交 叉网纹，形成网纹角，如图2 3 、2 - 4 所示。珩磨速度与珩磨交叉角的关系： 圆周速度： 往复速度： 珩磨速度： 珩磨交叉角： 所= 需 i r a ：2 m i x 1 0 0 0 口：2 a r c t a l l 堕 珩 式中：d 为珩磨头直径m m ，n 为珩磨头转速r m i n ， n a 为磨头往复次数d s t m i n ，i x 为磨头单行程长度衄 要获得理想的珩磨效果，必须正确选择纥和护，具体可参照表2 - 4 。 v ( 2 - i ) ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) 图2 4 珩磨速度与珩磨交叉角的关系 第二章珩磨加工工艺分析 表2 - 4 珩磨参数选择 珩磨速度交叉角圆周速度往复速度 工件材料加工性质 v ( m m i n )o ( 。)u t ( m m i n ) a ( m m i n ) 租2 2 - 2 5 4 52 0 2 39 - 1 0 球墨铸铁 精 - 3 04 5 2 7- 1 2 粗 2 0 2 54 51 8 - 2 29 - 1 l 未淬火钢 精 2 84 5 2 5- 1 2 粗 2 0 一2 54 52 3i 0 合金钢 精 2 84 0 2 61 l 粗 1 5 - 2 24 01 4 2 15 - 8 淬硬钢 精 - 3 06 0以8- i 0 粗2 5 - 3 06 02 1 - 2 61 2 - 1 5 铝 精 - 3 54 5 3 0- 1 7 5 粗2 5 - 3 0 6 0 2 1 2 6 1 2 - 1 5 青铜 精 - 3 54 5- 3 0- 1 7 5 硬铬精 1 5 - 2 23 01 4 - 2 14 6 粗2 5 - 3 04 52 3 - 2 8 l o _ 1 2 塑料 精 4 03 0 3 7l l 2 3 4 珩磨余量 为了消除前道工序留在工件表面的切削痕迹，珩磨前工件表面质量越好，珩 磨后工件表面的质量也就越高。所以，珩磨余量与前道工序的加工余量有很大关 系，一般珩磨余量为先前工序总误差的2 - 2 5 倍。此外，珩磨余量与工件材料也 有直接关系，可参见表2 - 5 。 表2 - 5 珩磨余量 工件材料铸铁未淬火钢 淬火钢非金属轻金属 单件生 0 0 8 -0 0 6 0 0 3 -0 0 4 0 0 5 - 珩磨余量 产0 1 50 1 50 0 60 0 80 1 0 “皿)成批生0 0 2 -0 0 2 -0 0 1 -0 0 2 -0 0 2 - 产 0 0 60 0 6 0 0 30 0 80 0 6 2 3 5 珩磨液 珩磨液有油剂和水剂两种，见表2 - 6 ，水剂珩磨液冷却性冲洗性较好，适用 第二章珩磨加工工艺分析 于粗磨，油剂珩磨液宜加入适量硫化物，以改善珩磨过程，另外，珩磨液的粘度 也影响珩磨效率。对高硬度或脆性材料的珩磨宜用低粘度的珩磨液，树脂结合剂 油石不得采用含碱的珩磨液，因为它会降低油石的结合强度。立方氮化硼油石不 得使用水剂珩磨液，否则会由于水解作用，使油石出现急剧消耗。 表2 - 6 珩磨液的选择 成分 质量分数) 类序 l - a n 3 2 号加工对象 型号煤油油酸 松节油其余 油 l 9 0 一8 01 0 一2 0 钢、铸铁铝 25 54 05高合金钢 39 8 石油硫酸钡硬质合金 油 49 5 硫磺+ 猪油铝、铸铁 剂 59 0 硫化矿物油铸铁 69 5 硫化矿物油硬钢 硼砂亚硝酸盐火碱环烷皂硫化蓖麻油其余用途 水 剂 1o 2 50 2 50 5 水粗珩钢，铸 o 6 z 0 。2 5 0 z 5 0 2 5 水铁、青铜 2 3 6 珩磨新工艺一平台珩磨网纹 平顶珩磨采用双进给磨头，先粗珩形成沟槽，再用精珩磨去掉其余轮廓峰形 成平顶，以便获得能形成油膜的沟槽和良好的平项支撑，用以提高被珩孔表面的 耐磨性。平项珩磨主要用于具有相对运动摩擦副的内孔珩磨。例如发动机汽缸套 内孔经过平顶珩磨出来的网纹表面，其承载面积比普通的珩磨表面增大4 倍左 右，特有的深沟又可储存足够的润滑油，这样，便可大大减小汽缸套孔表面的磨 损，缩短跑合时间，提高机件寿命，减少燃油消耗。 平顶珩磨是较为经济的先进珩磨工艺，无论从产量、质量、制造成本和使用 效果来看，都优于传统珩磨工艺，其特点： 1 ) 宏观表面具有明显的、粗细均匀的、对称的珩磨交叉网纹，网纹无折叠、间 断现象，见图2 - 1 6 。 2 ) 珩磨网纹交叉角较大，一般要求3 0 - 6 0 度，具体可依厂家要求确定。 3 ) 表面微观轮廓曲线为宽度不等的平顶与深沟，平顶表面以支撑载荷，沟槽则 利于存油润滑。 4 ) 平顶珩磨表面粗糙度一般要求为ra0 5 - i 2 5 9 m 或ra0 7 - 1 5 9 m 。 第二章珩磨加工工艺分析 气缸套内外表面采用珩磨工艺加工成深沟槽与小平台均匀相间的交叉网纹 表面，同时，对珩磨网纹的表面网纹角度、沟槽深度和数量、轮廓图形的偏斜度、 轮廓支承长度率以及表面层的加工质量等有一定的要求。具有这些要求的珩磨表 面称为平台珩磨网纹表面。 a ) 正确 2 4 汽缸珩磨综合分析 b ) 不均匀c ) 有折叠、夹砂 图2 - 1 6 网纹状况比较 以上针对不同材料的内孔珩磨如何进行参数选择作了总体论述，但作为汽缸 珩磨有其特殊性，必须结合具体的状况精心选择参数才能达到使用要求。下面就 相关问题加以分析。 2 4 1 汽缸摩擦副分析 汽车发动机汽缸是在瞬阅、高温( 1 5 0 0 0 c - 2 5 0 0 0 c ) 、高压( 3 0 - 1 0 0 a t ) 冲击 下工作的高速轴向滑动运动副。为了闭气，除了对缸体强度、刚度有严格要求外， 对缸孔珩磨也有极高的质量要求。一般缸孔直径圆柱度为6 - 8 上m ，基础面粗糙度 r a 6 3 ，平顶粗糙度r a 0 4 ，活塞与缸体间隙控制在0 0 3 0 0 5 m m 间。由于汽缸是 瞬间高压，在活塞上套有密封环，用以有效的控制气体泄露，瞬时高温可以燃去 表层的润滑油，在水冷的条件下，不足以烧伤缸壁。发动机在长期高速运转下， 若润滑油供应不足，导致缸面贮油不够，摩擦生热可以导致缸体很快磨损，严重 时导致擦伤、抱缸、咬死。若缸体珩磨质量好，可以采用低成本的活塞环，减少 磨合时间，气密性好、滑动性好、工作表面磨损小、油耗少、机油耗也少，提高 发动机的效率和使用寿命。临界工况时抗擦伤性好，可靠性好。 好的汽缸珩磨质量，不仅要求公差严、形状误差小、不损伤材质，而且要求 必须达到一定的网纹质量，最好是平顶珩磨网纹。 2 4 2 汽缸珩磨粗糙度实验 第二章珩磨加工工艺分析 为了提高缸体的加工精度，得到合格的网纹，就要对珩磨参数进行合理的选 择。如天津内燃机厂早期生产的t j 3 7 6 q 发动机一直存在着烧机油、油耗高、缸 体拉毛、抱缸的严重问题。技术攻关前因换缸、返修，年损失约二百万元。通过 一系列的实验，经过采用平顶珩磨工艺及合理选择参数，发动机返修量陡降，杜 绝了非常规磨损，且质量稳定，取得了良好的经济效益和社会效益。可见，合理 的工艺参数的选择对珩磨有重要的价值。表2 7 是他们根据实验和实际经验总结 制订的企业技术标准，主要工艺参数见表2 - 8 。 表2 - 7 缸孔平顶珩磨企标要点 序号企标颁布前企标颁布后检查方法 l 珩磨网纹状态、质量外观检复膜托印，放大l o o 倍照相，计 查 分评定 23 5 0 生5 0 网纹角3 5 0 士5 0 检查在距上端面5 0 - 6 0 m m 处复膜托 印，在照片上测量3 5 0 士5 0 3 r z 1 4 9 m测支承长度率用阿博特公 在缸孔上、中、下三个位置用轮 差表示平台珩磨表面粗糙 廓仪测量，将9 5 对应的截距作 度为轮廓深度计算的0 点 4 网纹沟槽( 4 - 6 9 m 深) 均匀 在4 r a m 长轮廓曲线上3 - 5 条 性 5 轮廓偏斜度s k = - 0 8在轮廓曲线上求三点平均