光整加工技术的发展

光整加工技术的发展

随着科学技术的发展，对先进机器和设备的要求越来越高，对机械制造的需求也越来越高。因此，先进的制造技术也出现了。精细加工技术和超精细加工技术是先进制造技术的核心，光平整加工技术是精细加工技术和超精细加工技术的重要组成部分。光整加工是指降低表面粗糙度和提高表面质量的加工方法,加工后的表面粗糙度小于0.8μm,其加工方法有精密磨削,珩磨、研磨、抛光、超精磨,滚压加工、磁粒光整加工和金刚石刀具超精密切削等。1.1精密研磨1.2以金属为主要原料制造的工件是一种使用由几根粒度很细的油石砂条组成的珩磨头,对工件施加压力并做往复运动,在工件表面上切下一层微薄的金属,降低工件表面粗糙度值。珩磨的应用范围很广,可以用来加工铸铁、淬硬钢及非淬硬钢,但不适宜加工易堵塞砂条的硬度较小、韧性好的有色金属;目前,珩磨主要用于油缸、气缸、发动机钢套的精密及光整加工(如图1所示)。珩磨时一般采用2801.3工件表面粗糙度值r研磨是在研具与工件之间涂敷(干式研磨)或浇注(湿式研磨)研磨剂,工件与研具在一定的压力作用下做相对运动,通过研磨剂的机械及化学作用,研磨剂中的磨料颗粒(粒度在W0.5～W28之间)从工件上切除一层微薄的金属,得到微小粗糙度值的表面,达到光整加工的要求,图2为研磨加工示意图,磨料在工件与研具间,在一定的压力作用下做复杂的相对运动,刻划、切削、摩擦工件的表面,微量切除工件表面的金属层,降低工件表面粗糙度值,研磨后的工件表面粗糙度值R研磨主要用于平面、圆柱面、圆锥面、齿轮齿面的光整加工,及有密封要求的配偶件的加工,可用于量规、量块、齿轮、喷油嘴、柱塞泵的柱塞与泵体的、各种阀中阀体与阀芯的终加工。还可用于光学仪器中的镜片、电子工业中的石英晶体、半导体、等元件的光整加工。研磨加工的加工过程简单,不需要复杂的机械设备或不需要机械设备(手工研磨),但要获得好的加工质量,则对工人的技术要求较高,效率较低。1.4纳米刀痕的加工是用机械或化学、电化学的方法,对工件表面进行微细加工,去除或腐蚀、溶解上道工序留下的刀痕,得到光亮美观的加工表面的加工方法。抛光加工方法主要有:手工抛光、机械研磨抛光、超声波抛光、化学与电化学抛光、电化学机械光整加工等。1.4.1微加工表面是在由软质材料制成的抛光轮(或抛光器)上涂以磨膏,并使其与工件表面产生相对运动,对工件表面进行微细加工,去除上道工序留下的刀痕,得到光亮美观的加工表面的加工方法。手工抛光是最常用的光整加工方法。无需机械设备,加工过程简单,加工质量与工人的技术熟练程度有关,可获得非常好的加工表面。但这种方法劳动强度大,加工效率低。1.4.2工件表面粗糙度是使用机械装置对工件进行抛光的方法,将工件放在涂有磨膏的高速旋转的抛光轮上,在磨膏介质的作用下,金属表面产生一层极薄的软膜,可以用比工件材料软的磨料进行切除,而不会在工件表面留下划痕,修磨工件表面的微观不平度,获得很细表面粗糙度的镜面状表面。这2种抛光方式可用于平面、柱面、曲面、及模具型腔的光整加工,采用手工抛光或机械抛光的表面,抛光后的表面粗糙度值R1.4.3微细切削或热磨削是利用超声波振动能量,通过机械装置对工件加工的一种方法。而抛光装置由超声发生器、换能器、变幅杆、抛光器等部分组成,将磨料与工具联成一体,加入水或煤油工作液,利用工具上露出的磨料颗粒,以2万次/s以上的高频振动,振幅为0.01～0.025mm,对工作表面进行细微切削。故切痕均匀细密,从而达到抛光的目的。它能适用于抛光狭窄、深槽、不规则圆弧和棱角,同时也适用于不同的材料的抛光加工,加工效率不高。加工原理见图3。1.4.4表面平滑加工是将工件放入由腐蚀剂(硫酸、硝酸、磷酸)、缓腐蚀剂、水等溶液调制的抛光液中进行腐蚀,金属材料在化学介质中表面微观凸出的部分较凹陷部分先溶解,从而得到平滑的表面的加工方法(见图4),可用于各种形状的工件的光整加工;化学抛光得到的表面粗糙度值一般为Ra≤0.2μm,这种方法的主要优点是不需复杂的设备,可以抛光各种形状复杂的工件,可同时抛光很多工件,效率很高。但存在着抛光时会产生由氮氧混合物组成的黄烟,污染环境,对工人的健康有一定的损害。主要用于不锈钢、铜、铝及其合金的光亮修饰加工。1.4.5电解机械抛光是利用特定条件下的电化学腐蚀,在工件表面蚀去一薄层金属的同时,使形成的新表面具有镜面光洁度的加工方法,电化学抛光中最典型的是电解抛光,它是利用金属在电解液中的“阳极溶解”作用,使工件表面凸起部分先溶解,降低工件表面粗糙度的加工方法。电解抛光可用于各种形状的导电金属工件的加工,特别是高硬度、高韧性的导电金属零件的光整加工。抛光后的表面粗糙度值R1.4.6在电解作用下进行复合加工这是由电解加工和研磨加工复合的一种加工。一个与工件表面接触的研磨头,它既起着研磨作用,又是电解加工用的阴极。研磨加工时,在研磨头与工件之间浇注电解液,在电流的作用下进行电解。工件表面在电解作用下,发生阳极溶解,在溶解过程中,阳极表面形成一层极薄的氧化物(阳极薄膜),但刚刚在工件表面上凸起的部分形成阳极薄膜又被研磨头研磨掉,于是,阳极工件表面上又露出新的表面并继续电解。这样,电解作用与研磨头切除阳极薄膜作用交替进行,故在极短时间内,可获得十分光洁的镜面。这种复合加工方法,对工件不同的部位及形状,可选用相应的研磨头,操作灵活,电解液无毒,安全可靠。采用的高硬度细颗粒的磨料,锋利、加工效果好,效率很高。经抛光后的工件表面粗糙度值R1.5进行光整加工是采用细粒度的与被加工工件轮廓相同的磨条,在一定的压力和切削速度下,在工件表面上做往复运动,对工件表面进行光整加工的方法(见图5),在加工过程中,工件低速旋转,磨条轴向进给并高速往复摆动,这3种运动使磨条的磨粒在工件表面上形成不重复的复杂轨迹。切除工件上凸起的波峰金属,达到降低工件表面粗糙度的目的。该方法加工效率很高,加工质量也很好,但只适合加工结构形状简单的圆柱面和面积较小的平面。工件表面粗糙度值可达R1.6动的滚动轴承法采用经过热处理淬硬的钢球或钢柱,在常温下对工件表面施加压力并在工件上作无滑动的滚动,使其产生塑性变形,将工件表面微观不平的波峰、波谷碾平,降低工件表面粗糙度值的光整加工方法,主要用于轴、油缸、气缸、轴套、活塞、齿轮、螺纹等塑性材料的外圆、内孔及成形曲面的加工。加工质量好,效率高,加工后工件表面粗造度R1.7弹性微机械光整加工是利用磁性工具形成的磁场对加工区域内磁性磨粒(简称磨粒)的吸引作用,使磁性磨粒沿着磁力线方向排列,形成具有一定刚度的沿着磁力线排列形成的磁刷,在与工件相对运动的过程中压向工件而实现弹性微刃切削的一种光整加工方法(见图6)。它适用于平面、旋转体、复杂曲面及内表面的光整加工,在磁粒光整加工过程中,受到磁场力作用的磁粒与工件可能产生滑动、滚动和切削。当磁场力大于切削力时,磁粒处于正常切削状态,否则可能产生滑动或滚动,滑动或滚动的磁粒与工件表面产生摩擦,起到抛光的作用,在磁粒的切削与抛光作用下,工件表面粗糙度降低,达到光整加工的目的。由于磁性磨料的硬度不高,切削作用较小,抛光作用好,工件表面粗糙度可达到R1.8天然单晶金刚石刀具切削金刚石刀具精密切削主要用于铜、铝及其合金等较软金属零件的精密加工。这些材料不像钢材那样可以采用精密磨削和研磨得到很高的加工精度和低的粗糙度值;对软质金属采用磨削加工,由于磨粒的嵌入和表面容易划伤,很难得到较小的表面粗糙度,因此金刚石切削就成为软质金属材料零件实现精密加工和光整加工的主要工艺手段,用天然单晶金刚石刀具切削铜、铝等有色金属及其合金材料,能得到尺寸精度为0.1μm数量级和表面粗糙度R金刚石有天然(单晶)金刚石和人造聚晶金刚石之分。天然单晶金刚石有硬度极高、耐磨性和强度高、导热性能好与有色金属材料的化学亲和性小、抗粘接性好、摩擦系数低、能磨出极锋锐的灭口等优点,刃口半径可以刃磨到p≤2nm的水平,能实现超薄厚度的切削,能得到超光滑的镜面。因此,虽然它的价格昂贵,但仍被公认为理想的、不可替代的超精密切削刀具材料。人造聚晶金刚石的性能不如单晶金刚石的性能好,无法磨出极锋锐的刃口,刃口半径很难达到ρ<1μm,它只能用于有色金属和非金属的精切加工,加工后工件表面粗糙度值R2基于面粗糙度r的磁粒光整加工技术近年来我国的光整加工技术发展很快,精密磨削,珩磨、研磨、手工抛光、机械抛光、滚压加工等光整ue30d加工工艺的使用已经非常普遍,精密磨削平面、外圆以达到IT5;表面粗糙度R我国的磁粒光整加工技术起步较晚,开始于20世纪80年代中期,现在还处于研究开发阶段,取得一些研究成果,并已在不锈钢等难加工材料及复杂曲面的光整加工中得到应用,制造出了复杂曲面磁粒光整加工机床。目前,从事该项技术研究主要是高等院校,将此项技术应用于工厂、企业,进行工业化生产的还不多。金刚石刀具超精密切削:在1962年美国就开发出以单点金刚石车刀镜面切削铝合金和无氧铜的超精密半球车床,其主轴回转精度为0.125μm,加工直径为100mm的半球,尺寸精度为±0.6μm,粗糙度为R3化学、机械抛光今后光整加工总的发展趋势是采用高速、精密的机械加工设备,优良的加工工具,先进的制造方法,进行精密、超精密加工,在加工的同时,获得低表面粗糙度值的光整表面;珩磨、研磨、机械抛光将主要是提高机械化程度,提高加工效率,装备则以柔性加工设备为主,以适应各种型面加工的要求。这些设备的运动速度将大大提高,以适应提高效率的要求。化学、电化学抛光将进一步与机械抛光、磁粒光整加工结合,提高抛光