一种新型的珩磨技术——刷珩磨.doc

一种新型的珩磨技术刷珩磨本世纪初JosephSunnen首先预示了现代珩磨工艺将成为一种表面精加工技术。随着珩磨技术的发展，珩磨已成为一种材料切除工艺，用来修整不合适的孔。但是在低速下使用油石珩磨内孔不能有效地切除材料。珩磨油石作为一种表面精加工工具实际上对金属表面都会产生损伤，而刷珩磨可以在不引起表面损伤的情况下提高表面精度。一、早期的珩磨 早期的珩磨只是为了解决汽车工业中汽缸孔的加工问题。早期的镗孔工具及加工机床加工出的汽缸壁表面存在搓板现象。汽缸壁表面与活塞环之间的密封性不好，活塞环得不到合适的润滑，这样会很快地磨损引擎的第一组环。 最后在很短的时间内就必须更换活塞环。粗镗出来的汽缸壁会使活塞裙磨损严重，因此需要修整加工。活塞环中的金属杂质也会引起损伤。随着活塞在缸孔内的往复运动，活塞环磨除了汽缸壁上不规则的的细微凸出点。这些切除下来的金属微粒污染了润滑系统，堵塞了过滤器，并引起汽缸壁垂直方向的划伤。杂质也会划伤活塞裙。划伤的第二个原因是不良的润滑。由于细微的凸出点在它们被磨平之前，其中较高的凸出点把涂在汽缸壁上的润滑膜刺破了(如图1)。当活塞在整个行程中碰到这些凸出点时就出现了金属与金属之间的接触，活塞环的速度达到最低点。 活塞环的使用寿命短，活塞裙的划伤及缸孔的磨损都是由于活塞在粗糙的缸孔内往复运行所造成的，也是不可避免的，从而导致发动机耗油多，效率低。即便如此，早期的小汽车也不得不使用这种发动机。图1 汽缸壁表面的凸出点刺破了润滑油膜，导致活塞环通过该点时出现金属与金属间的接触 在Sunnen的珩磨工艺之前，汽车制造商加工汽缸壁表面所使用的唯一的方法就是Winton汽车公司的加工方法。它适合于小孔的加工。为了除去内孔表面凹凸不平之处，采用使钢球从小 孔中通过的方法，而钢球的直径比汽缸孔的直径大0.05mm到0.076mm。当钢球从孔中通过时从而挤平缸孔的内表面。 这种工艺今天我们称之为滚珠法，并且除了缸孔加工外这种工艺现在仍然在使用着。但是在早期的汽车制造业中滚珠法不适用，因为早期的缸孔直径前后不一样大，挤压时会产生过多的接触压力，有时压力太大使缸孔壁出现裂纹。另外被钢球挤碎的细物会被压入缸孔内表面，使缸壁受损。 当Sunnen提出了另一个更有效的加工方法时，汽车制造工业完全接受了它。Sunnen的新珩磨工艺就是将油石组装到珩磨头上进行珩磨。珩磨头在缸孔内旋转，同时用手来控制珩磨头的往复运动。 珩磨工具最初设计成柔性的，油石通过弹簧夹具组装，并随缸孔原有的几何形状进行加工。珩磨的切除量一般都很小，在2.54m50.8m之间，珩磨后的表面粗糙度可达Ra24。 鉴于这种情况，珩磨只能改善缸孔内表面质量，实质上没有改变它的几何形状和尺寸。由于油石是由柔性夹具把持的，因此它与汽缸孔的接触压力比较小。这样不仅可磨平表面，而且可使缸壁不受损伤。但是油石在通过缸孔内表面上的凹陷处时会出现架桥现象(如图2)，结果珩磨过的表面网纹均匀性不好。图2 早期珩磨中油石通过工件表面高点时出现架桥现象二、珩磨转变为切削加工 随着珩磨的发展，制造商看到了在加工制造业中可扩大珩磨的作用。因为零部件在钻孔后必须进行珩磨，机械工程师开始用珩磨来解决钻孔过程中产生的问题。要解决这个问题必须使用更硬些的珩磨，进行材料的切除加工。把珩磨设计成可由手工控制旋转对油石施加压力。这些机械动作开始由自动机械伸胀系统来完成，后来又被液压系统所取代。每一次转变都需要硬度更高、结合力更强的油石，从而使油石受压时不受损坏。 这个发展使珩磨变成了非常昂贵的切削加工。现代珩磨采用高技术的金属结合剂超硬材料工具，具有精度高、设计优良、耐高压等特点。这些工具的珩磨范围大，从直径为3.175mm的小孔到直径为914.6mm的大孔都可以进行珩磨。 虽然在加工能力上有所增加，但是这些工具在切除材料过程中会对工件产生很大的损伤。珩磨中工具的相对滑行速度低，而压力非常高，使工件产生划伤并出现切屑重叠和网状微裂纹。这些裂纹的尺寸和分布决定于工件的材质。例如珩磨铸铁材料，裂纹深度可达50m，而切屑重叠面积超过2500m2。通过减少压力和引入无火花磨削，这种损伤可得到适当控制。如果使用具有弹性的且较软的结合剂制造的油石加工，工件就不会出现裂纹。因为它切削自由，切除量较小。然而这些措施和方法使得加工工艺更难控制而且也更费时间。 珩磨用的冷却液和润滑材料对当今超硬材料油石来讲也是个问题。缸孔内必须充满按特殊配方制成的磺酸盐冷却液。如果没有这种冷却液，低速恒定的接触会使油石受压增加。冷却液中的磺酸盐具有包裹切屑的能力，并可防止切屑与油石块粘结。尽管如此，然而要清除掉冷却液和润滑材料中的有害物质是非常困难而又昂贵的。操作人员天天与这些液体接触也会使他们的皮肤受到损伤。考虑到这些环保和安全因素，同时为了解决这些问题，必须开发一种新型的水溶性冷却液。三、刷珩磨可满足要求 尽管金属加工工业不用低压珩磨，但是仍有这种工艺的要求。Sunnen开发的刚性珩磨可以减少因前道工序不良的加工而引起的尺寸变化。珩磨可以提高工件表面质量的均匀性，可修整其他加工过程中产生的微裂纹。但是珩磨仅仅在不把它作为一种切削加工工艺的情况下才呈现出上述的优越性。珩磨只能磨除表面平均线以上的细微凸出峰，切深不超过几十个微米。图3表明珩磨可明显提高表面质量。图3中上图是未珩磨的工件，其表面呈粗糙锯齿状，下图是珩磨后的同一工件表面。汽缸壁被珩磨后可增加与活塞环的接触压力。当我们对比一下刷珩磨前后表面接触比率时发现，刷珩磨后的表面接触率明显增大。图3 珩磨前后的工件表面质量 刷珩磨是在没有切除过多材料或损伤工件表面质量的情况下提高表面光洁度的一种加工方法。刷珩磨块类似于一种刷子。刷子上的尼龙丝里面含有磨料，其中含有40%的珩磨材料。尼龙丝中的磨料可以是Al2O3、SiC、BN或金刚石等各种磨料。珩磨刷以块状形式销售，与传统的珩磨油石一样可以安装在标准的组合珩磨头上，一组刷珩磨块在40psi压力下可珩磨20000多个孔。 习惯于高压珩磨的用户会发现刷珩磨工艺与传统的珩磨完全不同。份布在由大量分散的尼龙丝组成的柔性介质中的磨料作用于工件表面。低压下工作的工具其功率消耗比在高压下珩磨要多10%。与传统的珩磨不同，珩磨刷上的尼龙丝可独立地作用于所有表面上。这就避免了前述的架桥现象，刷子对表面上细微的凹凸处都可以珩磨到(图4)。图4 传统珩磨与刷珩磨的对比 刷珩磨可以除去其他工序留下的划痕和折叠切屑，并可达到Ra5-Ra6的表面粗糙度。刷珩磨不仅可用于汽车发动机制造业，而且可用于其他方面，应用范围很广。柔性加工与高压珩磨相比，所需的机床体积较小，刚性较低 。柔性工具可用在自动生产线上进行批量生产。有些工厂使用刷珩磨专用设备，通过使用专门设计的工具和夹具，即使是钻床也能用于刷珩磨。四、孔的质量要求 刷珩磨可以获得满意的结果，它不只是用于修整前道工序的缺陷。控制钻孔工艺的操作人员应该懂得加工过 程中基本的机械学和动力学原理，从而避免产生振动以保证孔的尺寸精度及形状。 影响钻孔工艺的因素有很多，包括独立因素和相关因素(见表1)。内孔的表面质量、尺寸大小、圆度及圆柱度 决定于所使用的加工条件及控制可变因素的影响。切削加工从机械学来讲是一种剪切过程。切屑可以是连续的、锯齿状的或者不连续的。切屑形成的种类是加工状态的良好体现。 图5简单描述了切削过程中产生的应力情况。工具和工件作相对运动在第一切变区(ps)和第二切变区(sz)产生应力和剪切力。这些应力集中在倾斜的(角度为)剪切面(sp)上产生剪切作用，导致切屑从工具的倾斜面上脱落 。这个作用显示在图5中带有正倾斜角()的工具。切屑的厚度(tc)和进刀量的厚度(t)不同，t是在进刀方向上测量的。表1 影响钻孔工艺的因素独 立 因 素 相 关 因 素 工件材料、条件和温度切 工具材料和条件 工具形状、表面和锐利性别 切削液 切削条件(进给速度、进给量) 加工几何形状 机床动力 屑的种类 切削力 加工过程中消耗的能量 工具、工件和切屑的温度增加 工具的磨损和钝化 被加工表面的精度和轮廓图5 切削过程中产生的应力情况 钻孔过程中的相关因素直接影响了切屑的形成。总的切削力通常用它的分力来描述，包括切向进给力或正常的摩擦力。切削过程中产生的作用于工件与工具之间的反作用力导致了它们之间的相对位移。 加工系统的动力性能表现为振动，振动形式有三种。操纵者必须能够辨别哪种振动会影响切削工艺，并且要明白其动力原理，从而去适当地修整和控制孔的尺寸和形状。 为了简便起见，考虑到加工系统所有的因素工件、夹具与机床的刚性都比钻床要好，因此可以设想只有一种主要的振动方式影响到这个系统。 自由振动是系统所经受的典型振动之一，它是工具脱离了外界施加的力时对初始条件的反应。在间断加工中的非切削时期，切削力不存在时工具从它的倾斜状态弹回。工具间断接触到 表面端部开始切削工件时的突然位移也会出现类似的现象。在所有的机械系统中都有减振装置，尽管振动频率或周期与系统自然频率保持一致，如果加工工艺不变，振幅将随时间的变化而减少。在加工双冲程发动机汽缸缸孔时，在工具通过孔的进出口时可以看到自由振动的影响，结果被加工表面经常出现尺寸不足，导致内孔不圆。 另一种典型振动就是受迫振动，这是系统对周期刺激的反应。它出现的频率与刺激的频率相同。如果刺激的力保持固定不变的话，受迫振动的振幅是一直固定不变的(既不减少，也不增加)。普通受迫振动的例子是工具的径向位移。当工具旋转时，工具的不平衡所产生的振动力使工具在特定方向出现位移。这个不平衡每转一圈都导致一个周期力的出现，力的大小与速度有关，承受这种力的钻孔工具在受到切削力之前将呈现出最大的位移。这个位移常常导致孔端的尺寸偏大，表现为锥面或喇叭口。 在加工过程中有反馈现象时会出现自励振动。自励系统能够调节恒定的输入力(例如产生连续切屑的切削力随反馈间歇变化，反馈幅值会出现逐渐减弱(指稳定系统)、保持不变(在一定程度上的稳定系统)或随时间增加(指不稳定系统)。振荡就是自励振动的例子。在铸铁件上粗镗孔时会突然出现噪音和振动，这是经常出现的问题。切割的宽度是加工中出现振动问题的主要增益因素。 要测量加工系统的振动响应，制造工程师可以确定一个稳定的工艺范围，决定各种非客观的加工条件特别是最佳的切削条件，有必要的话必须使用可转位工具或减震器。加工表面的微裂纹与相对振动程度有关，通过高稳定的加工工艺可以减少表面的微裂纹。 操作人员可通过选择一种能够限制工件变形的加工方法来控制切削力，尤其是那些薄壁工件。通过使用平衡性好的多切削刃刀具可提高孔的圆度和垂直度。 应该注意到加工工艺的稳定性将受到所有使用中的切削刃累积宽度的影响。当加工过程开始引起尺寸变化时，对于非常薄的精切削加工更应特别注意。随着进刀量的减少，实际倾斜角度可能从正数变到零，甚至于变为负数。结果造成滞区变大，出现分界线，表面质量差并产生折叠、划痕。 如果操作人员能够完全按照加工工艺进行生产，那么加工出来的孔就没有必要再进行珩磨修整。例如：一个