光整加工技術的發(fā)展

隨著科學技術的發(fā)展，對先進機器和設備的要求越來越高，對機械制造的需求也越來越高。因此，先進的制造技術也出現(xiàn)了。精細加工技術和超精細加工技術是先進制造技術的核心，光平整加工技術是精細加工技術和超精細加工技術的重要組成部分。光整加工是指降低表面粗糙度和提高表面質(zhì)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、拋光、超精磨,滾壓加工、磁粒光整加工和金剛石刀具超精密切削等。1.1精密研磨1.2以金屬為主要原料制造的工件是一種使用由幾根粒度很細的油石砂條組成的珩磨頭,對工件施加壓力并做往復運動,在工件表面上切下一層微薄的金屬,降低工件表面粗糙度值。珩磨的應用范圍很廣,可以用來加工鑄鐵、淬硬鋼及非淬硬鋼,但不適宜加工易堵塞砂條的硬度較小、韌性好的有色金屬;目前,珩磨主要用于油缸、氣缸、發(fā)動機鋼套的精密及光整加工(如圖1所示)。珩磨時一般采用2801.3工件表面粗糙度值r研磨是在研具與工件之間涂敷(干式研磨)或澆注(濕式研磨)研磨劑,工件與研具在一定的壓力作用下做相對運動,通過研磨劑的機械及化學作用,研磨劑中的磨料顆粒(粒度在W0.5～W28之間)從工件上切除一層微薄的金屬,得到微小粗糙度值的表面,達到光整加工的要求,圖2為研磨加工示意圖,磨料在工件與研具間,在一定的壓力作用下做復雜的相對運動,刻劃、切削、摩擦工件的表面,微量切除工件表面的金屬層,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、圓柱面、圓錐面、齒輪齒面的光整加工,及有密封要求的配偶件的加工,可用于量規(guī)、量塊、齒輪、噴油嘴、柱塞泵的柱塞與泵體的、各種閥中閥體與閥芯的終加工。還可用于光學儀器中的鏡片、電子工業(yè)中的石英晶體、半導體、等元件的光整加工。研磨加工的加工過程簡單,不需要復雜的機械設備或不需要機械設備(手工研磨),但要獲得好的加工質(zhì)量,則對工人的技術要求較高,效率較低。1.4納米刀痕的加工是用機械或化學、電化學的方法,對工件表面進行微細加工,去除或腐蝕、溶解上道工序留下的刀痕,得到光亮美觀的加工表面的加工方法。拋光加工方法主要有:手工拋光、機械研磨拋光、超聲波拋光、化學與電化學拋光、電化學機械光整加工等。1.4.1微加工表面是在由軟質(zhì)材料制成的拋光輪(或拋光器)上涂以磨膏,并使其與工件表面產(chǎn)生相對運動,對工件表面進行微細加工,去除上道工序留下的刀痕,得到光亮美觀的加工表面的加工方法。手工拋光是最常用的光整加工方法。無需機械設備,加工過程簡單,加工質(zhì)量與工人的技術熟練程度有關,可獲得非常好的加工表面。但這種方法勞動強度大,加工效率低。1.4.2工件表面粗糙度是使用機械裝置對工件進行拋光的方法,將工件放在涂有磨膏的高速旋轉(zhuǎn)的拋光輪上,在磨膏介質(zhì)的作用下,金屬表面產(chǎn)生一層極薄的軟膜,可以用比工件材料軟的磨料進行切除,而不會在工件表面留下劃痕,修磨工件表面的微觀不平度,獲得很細表面粗糙度的鏡面狀表面。這2種拋光方式可用于平面、柱面、曲面、及模具型腔的光整加工,采用手工拋光或機械拋光的表面,拋光后的表面粗糙度值R1.4.3微細切削或熱磨削是利用超聲波振動能量,通過機械裝置對工件加工的一種方法。而拋光裝置由超聲發(fā)生器、換能器、變幅桿、拋光器等部分組成,將磨料與工具聯(lián)成一體,加入水或煤油工作液,利用工具上露出的磨料顆粒,以2萬次/s以上的高頻振動,振幅為0.01～0.025mm,對工作表面進行細微切削。故切痕均勻細密,從而達到拋光的目的。它能適用于拋光狹窄、深槽、不規(guī)則圓弧和棱角,同時也適用于不同的材料的拋光加工,加工效率不高。加工原理見圖3。1.4.4表面平滑加工是將工件放入由腐蝕劑(硫酸、硝酸、磷酸)、緩腐蝕劑、水等溶液調(diào)制的拋光液中進行腐蝕,金屬材料在化學介質(zhì)中表面微觀凸出的部分較凹陷部分先溶解,從而得到平滑的表面的加工方法(見圖4),可用于各種形狀的工件的光整加工;化學拋光得到的表面粗糙度值一般為Ra≤0.2μm,這種方法的主要優(yōu)點是不需復雜的設備,可以拋光各種形狀復雜的工件,可同時拋光很多工件,效率很高。但存在著拋光時會產(chǎn)生由氮氧混合物組成的黃煙,污染環(huán)境,對工人的健康有一定的損害。主要用于不銹鋼、銅、鋁及其合金的光亮修飾加工。1.4.5電解機械拋光是利用特定條件下的電化學腐蝕,在工件表面蝕去一薄層金屬的同時,使形成的新表面具有鏡面光潔度的加工方法,電化學拋光中最典型的是電解拋光,它是利用金屬在電解液中的“陽極溶解”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。電解拋光可用于各種形狀的導電金屬工件的加工,特別是高硬度、高韌性的導電金屬零件的光整加工。拋光后的表面粗糙度值R1.4.6在電解作用下進行復合加工這是由電解加工和研磨加工復合的一種加工。一個與工件表面接觸的研磨頭,它既起著研磨作用,又是電解加工用的陰極。研磨加工時,在研磨頭與工件之間澆注電解液,在電流的作用下進行電解。工件表面在電解作用下,發(fā)生陽極溶解,在溶解過程中,陽極表面形成一層極薄的氧化物(陽極薄膜),但剛剛在工件表面上凸起的部分形成陽極薄膜又被研磨頭研磨掉,于是,陽極工件表面上又露出新的表面并繼續(xù)電解。這樣,電解作用與研磨頭切除陽極薄膜作用交替進行,故在極短時間內(nèi),可獲得十分光潔的鏡面。這種復合加工方法,對工件不同的部位及形狀,可選用相應的研磨頭,操作靈活,電解液無毒,安全可靠。采用的高硬度細顆粒的磨料,鋒利、加工效果好,效率很高。經(jīng)拋光后的工件表面粗糙度值R1.5進行光整加工是采用細粒度的與被加工工件輪廓相同的磨條,在一定的壓力和切削速度下,在工件表面上做往復運動,對工件表面進行光整加工的方法(見圖5),在加工過程中,工件低速旋轉(zhuǎn),磨條軸向進給并高速往復擺動,這3種運動使磨條的磨粒在工件表面上形成不重復的復雜軌跡。切除工件上凸起的波峰金屬,達到降低工件表面粗糙度的目的。該方法加工效率很高,加工質(zhì)量也很好,但只適合加工結(jié)構形狀簡單的圓柱面和面積較小的平面。工件表面粗糙度值可達R1.6動的滾動軸承法采用經(jīng)過熱處理淬硬的鋼球或鋼柱,在常溫下對工件表面施加壓力并在工件上作無滑動的滾動,使其產(chǎn)生塑性變形,將工件表面微觀不平的波峰、波谷碾平,降低工件表面粗糙度值的光整加工方法,主要用于軸、油缸、氣缸、軸套、活塞、齒輪、螺紋等塑性材料的外圓、內(nèi)孔及成形曲面的加工。加工質(zhì)量好,效率高,加工后工件表面粗造度R1.7彈性微機械光整加工是利用磁性工具形成的磁場對加工區(qū)域內(nèi)磁性磨粒(簡稱磨粒)的吸引作用,使磁性磨粒沿著磁力線方向排列,形成具有一定剛度的沿著磁力線排列形成的磁刷,在與工件相對運動的過程中壓向工件而實現(xiàn)彈性微刃切削的一種光整加工方法(見圖6)。它適用于平面、旋轉(zhuǎn)體、復雜曲面及內(nèi)表面的光整加工,在磁粒光整加工過程中,受到磁場力作用的磁粒與工件可能產(chǎn)生滑動、滾動和切削。當磁場力大于切削力時,磁粒處于正常切削狀態(tài),否則可能產(chǎn)生滑動或滾動,滑動或滾動的磁粒與工件表面產(chǎn)生摩擦,起到拋光的作用,在磁粒的切削與拋光作用下,工件表面粗糙度降低,達到光整加工的目的。由于磁性磨料的硬度不高,切削作用較小,拋光作用好,工件表面粗糙度可達到R1.8天然單晶金剛石刀具切削金剛石刀具精密切削主要用于銅、鋁及其合金等較軟金屬零件的精密加工。這些材料不像鋼材那樣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;對軟質(zhì)金屬采用磨削加工,由于磨粒的嵌入和表面容易劃傷,很難得到較小的表面粗糙度,因此金剛石切削就成為軟質(zhì)金屬材料零件實現(xiàn)精密加工和光整加工的主要工藝手段,用天然單晶金剛石刀具切削銅、鋁等有色金屬及其合金材料,能得到尺寸精度為0.1μm數(shù)量級和表面粗糙度R金剛石有天然(單晶)金剛石和人造聚晶金剛石之分。天然單晶金剛石有硬度極高、耐磨性和強度高、導熱性能好與有色金屬材料的化學親和性小、抗粘接性好、摩擦系數(shù)低、能磨出極鋒銳的滅口等優(yōu)點,刃口半徑可以刃磨到p≤2nm的水平,能實現(xiàn)超薄厚度的切削,能得到超光滑的鏡面。因此,雖然它的價格昂貴,但仍被公認為理想的、不可替代的超精密切削刀具材料。人造聚晶金剛石的性能不如單晶金剛石的性能好,無法磨出極鋒銳的刃口,刃口半徑很難達到ρ<1μm,它只能用于有色金屬和非金屬的精切加工,加工后工件表面粗糙度值R2基于面粗糙度r的磁粒光整加工技術近年來我國的光整加工技術發(fā)展很快,精密磨削,珩磨、研磨、手工拋光、機械拋光、滾壓加工等光整ue30d加工工藝的使用已經(jīng)非常普遍,精密磨削平面、外圓以達到IT5;表面粗糙度R我國的磁粒光整加工技術起步較晚,開始于20世紀80年代中期,現(xiàn)在還處于研究開發(fā)階段,取得一些研究成果,并已在不銹鋼等難加工材料及復雜曲面的光整加工中得到應用,制造出了復雜曲面磁粒光整加工機床。目前,從事該項技術研究主要是高等院校,將此項技術應用于工廠、企業(yè),進行工業(yè)化生產(chǎn)的還不多。金剛石刀具超精密切削:在1962年美國就開發(fā)出以單點金剛石車刀鏡面切削鋁合金和無氧銅的超精密半球車床,其主軸回轉(zhuǎn)精度為0.125μm,加工直徑為100mm的半球,尺寸精度為±0.6μm,粗糙度為R3化學、機械拋光今后光整加工總的發(fā)展趨勢是采用高速、精密的機械加工設備,優(yōu)良的加工工具,先進的制造方法,進行精密、超精密加工,在加工的同時,獲得低表面粗糙度值的光整表面;珩磨、研磨、機械拋光將主要是提高機械化程度,提高加工效率,裝備則以柔性加工設備為主,以適應各種型面加工的要求。這些設備的運動速度將大大提高,以適應提高效率的要求?；瘜W、電化學拋光將進一步與機械拋光、磁粒光整加工結(jié)合,提高拋光