珩磨加工效率的影響因素研究*

□張永貴 □?？P □楊云江 □龔俊

蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 蘭州 730050

內(nèi)圓珩磨是采用3塊平板互研的原理，加工出精密表面的一種特殊內(nèi)圓磨削方法，這種方法不僅能提高內(nèi)圓表面粗糙度，而且能提高零件的尺寸精度和幾何形狀精度，尤其適合薄壁孔和剛性不足的工件或較硬材料工件的加工。平臺網(wǎng)紋珩磨是較普通珩磨更為先進(jìn)的珩磨工藝，平臺網(wǎng)紋珩磨與普通珩磨原理相同，也是切削、擠壓和刮擦的過程。但平臺網(wǎng)紋珩磨有其特點(diǎn):粗珩加工出較深的劃痕，精珩把這些劃痕的尖峰磨平，變成平頂凸峰，當(dāng)前平臺網(wǎng)紋珩磨被進(jìn)一步分為3個(gè)階段（或稱3個(gè)工序）:粗珩、精珩和平臺珩［1，2］。目前平臺網(wǎng)紋珩磨在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體及氣缸套內(nèi)孔表面加工中得到廣泛應(yīng)用，實(shí)驗(yàn)證明，平臺網(wǎng)紋珩磨氣缸套與普通珩磨氣缸套相比，磨合期縮短了1/3～1/2，壽命提高10%～20%，扭矩提高5%，機(jī)油消耗降低50%～83%，并可避免發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中的拉缸現(xiàn)象［3］。隨著國家對汽車尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)的提高，平臺網(wǎng)紋珩磨技術(shù)得到了更廣泛的關(guān)注。如何進(jìn)一步改善缸套珩磨工藝，保證缸套珩磨質(zhì)量的同時(shí)來提高珩磨效率，意義重大［4］。

本文綜合分析了珩磨加工中，珩磨速度、往復(fù)換向加速度、油石壓力和性能對珩磨效率的影響，為合理選擇珩磨加工關(guān)鍵工藝參數(shù)提供了一定的理論依據(jù)。

1 珩磨速度對珩磨效率的影響

珩磨速度即珩磨油石與工件接觸點(diǎn)的線速度,珩磨速度V是珩磨軸旋轉(zhuǎn)速度Vt與往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度Va的合成，如式（1）所示，旋轉(zhuǎn)速度Vt與往復(fù)直線速度Va是兩個(gè)重要的珩磨工藝參數(shù)。兩種運(yùn)動(dòng)的結(jié)果使珩磨油石的磨粒在被加工孔的表面上切削出交叉網(wǎng)紋，網(wǎng)紋形成的角即為網(wǎng)紋交叉角θ（如圖1）.在珩磨加工中要獲得較好的珩磨效果，必須合理選擇Vt、Va及θ。

▲圖1 珩磨速度與網(wǎng)紋交叉角

式中：a為加速度；ti為勻變速時(shí)間。

切削、擠壓和刮擦是珩磨加工的基本原理，油石切削越快、與工件孔壁擠壓越強(qiáng)，金屬去除率就越高，由此得知珩磨加工中對磨削效率影響較大的因素是珩磨速度和珩磨壓力。由式（1）知Vt和Va的值越高，珩磨速度越高,珩磨頭單個(gè)往復(fù)行程時(shí)間越短，珩磨效率越高。而在實(shí)際加工時(shí)需要考慮網(wǎng)紋夾角的大小，由式（2）知道網(wǎng)紋夾角θ和Va/Vt（珩磨速比）有關(guān)。為了兼顧珩磨效率、網(wǎng)紋夾角和表面珩磨質(zhì)量，需要合理確定Vt和Va。在實(shí)際加工中，Vt可根據(jù)機(jī)床性能和缸套工作面粗糙度要求選定，而且現(xiàn)代珩磨機(jī)基本能滿足珩磨頭達(dá)到勻速的要求。油石磨削性能一定的情況下，Va就成為影響珩磨速度和網(wǎng)紋質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

▲圖2 單個(gè)往復(fù)行程油石單粒軌跡

如圖2，珩磨頭單個(gè)往復(fù)行程中油石單粒的軌跡變化反映了珩磨速度的變化，依此將V分6個(gè)階段。在增、減速階段由式（3）知：若換向加速度一定，則Va增大——增速階段時(shí)間變長——換向時(shí)間延長——網(wǎng)紋換向弧度加大——網(wǎng)紋質(zhì)量下降。故要提高珩磨效率，則需要較高的珩磨速度，往復(fù)速度相應(yīng)也要提高。往復(fù)速度提高后，雖然可以縮短往復(fù)行程時(shí)間，提高加工效率，但同時(shí)會導(dǎo)致?lián)Q向時(shí)間的延長，影響整體珩磨質(zhì)量。為了保證缸套表面的光潔度，Vt必須達(dá)到一定的高度，且網(wǎng)紋夾角符合性能要求。

實(shí)際加工時(shí)，半個(gè)行程中珩磨油石單粒運(yùn)動(dòng)路程和時(shí)間的關(guān)系式如下（對應(yīng)圖2中1、2、3三個(gè)階段，4、5、6階段的路程量和所用時(shí)間可認(rèn)為和前3階段相同）：

式中：t為勻速段時(shí)間。

經(jīng)驗(yàn)證明，提高珩磨效率，需要提高Va，現(xiàn)代珩磨的特點(diǎn)之一就是具有較高的往復(fù)速度（25～35 m/m in）,且θ=45～70°時(shí)，珩磨效率較高［5］。以此經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，假設(shè)加工φ100×195 mm缸套，Vt=52.7 m/m in（0.878 m/s）,且保持不變，在符合θ=45～65°的范圍內(nèi)，Va分別取25 m/m in、35 m/m in（0.417 m/s、0.583 m/s），其它珩磨工藝參數(shù)和所用油石完全相同。根據(jù)上式用Matlab繪制路程、時(shí)間關(guān)系圖。

▲圖3 兩種往復(fù)速度下路程和時(shí)間的關(guān)系

▲圖4 往復(fù)速度、網(wǎng)紋夾角的關(guān)系

如圖3所示，A、B、C分別為Va=0.583 m/s時(shí)對應(yīng)的加速、勻速、減速段路程—時(shí)間關(guān)系；D、E、F分別為當(dāng)Va=0.417m/s時(shí)對應(yīng)的加速、勻速、減速段路程—時(shí)間關(guān)系。顯然，當(dāng)Va=0.583 m/s時(shí)，完成半個(gè)珩磨行程的時(shí)間遠(yuǎn)低于Va=0.417 m/s時(shí)所用時(shí)間，即往復(fù)速度提高，珩磨效率隨之提高；加速段A和減速段C通過的路程和所用時(shí)間高于Va=0.417 m/s時(shí)相應(yīng)的D、F段的路程所用時(shí)間，即往復(fù)速度高時(shí)換向區(qū)面積增大。所以，在換向加速度一定時(shí)，高的往復(fù)速度會產(chǎn)生較大的換向區(qū)域，降低工件加工面整體網(wǎng)紋質(zhì)量，可以有效提高珩磨效率；珩磨速度低時(shí)，會降低珩磨效率，換向區(qū)域會減小，有利于工件加工面整體網(wǎng)紋質(zhì)量。

由式（2）知，Vt取定后，往復(fù)速度、網(wǎng)紋夾角之間的關(guān)系如圖4所示，Va的選取范圍應(yīng)滿足工件對網(wǎng)紋夾角θ1<θ<θ2的硬性要求，Vx、Vy是滿足網(wǎng)紋夾角范圍要求的兩種臨界往復(fù)速度。為了保證換向時(shí)所用時(shí)間最短，從而形成的換向網(wǎng)紋弧度最小，網(wǎng)紋質(zhì)量較好，應(yīng)在Vx、Vy之間選取Va=Vx，但效率低；已知往復(fù)速度越高，加工效率越高，則Va應(yīng)取Vy，此時(shí)V最大，珩磨效率最高，但網(wǎng)紋質(zhì)量差。因此，為了兼顧網(wǎng)紋質(zhì)量和珩磨效率，珩磨往復(fù)速度可根據(jù)實(shí)際加工條件如機(jī)床性能、油石性能等在Vx

2 珩磨頭往復(fù)換向加速度的影響

珩磨機(jī)往復(fù)換向作為珩磨機(jī)控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接影響珩磨機(jī)的加工能力和質(zhì)量［6］。珩磨加工的一個(gè)往復(fù)行程中，由于液壓系統(tǒng)的固有特性，其換向加速度不可能很快，換向時(shí)間不可能太短，外加重力加速度的影響，磨頭在上、下行程止端換向時(shí)，會對換向區(qū)域的網(wǎng)紋產(chǎn)生較大影響，導(dǎo)致網(wǎng)紋凌亂，網(wǎng)紋角不規(guī)則，紋路不清晰和弧度增大而達(dá)不到平臺網(wǎng)紋的技術(shù)要求［7］（如圖5所示）。但換向加速度過大，會導(dǎo)致?lián)Q向時(shí)對機(jī)床產(chǎn)生較大的沖擊，影響伺服電機(jī)和整機(jī)壽命。

圖6為針對直徑D=100 mm,長度L=195 mm的氣缸，要求網(wǎng)紋角θ=45～65°、珩磨旋轉(zhuǎn)速度Vt=52.7 m/m in時(shí)，珩磨換向加速度a=2g、a=2.5g、a=3g、a=4g的單粒油石往復(fù)換向軌跡。

▲圖5 換向區(qū)形成的弧形網(wǎng)紋（a）和正常網(wǎng)紋(b)對比

▲圖6 不同加速度下單粒油石的換向區(qū)域軌跡

珩磨頭往復(fù)換向加速度對切削效率的影響主要通過往復(fù)速度來體現(xiàn)。由圖6知當(dāng)珩磨往復(fù)速度一定時(shí)，換向加速度越高，位移量越小，換向時(shí)間越短，網(wǎng)紋夾角弧度越小，換向區(qū)面積越小，勻速珩磨區(qū)域面積越大，網(wǎng)紋整體質(zhì)量越高；較高的換向加速度還能使珩磨頭更快到達(dá)勻速珩磨階段，縮短珩磨的時(shí)間，有利于珩磨效率的提高。同時(shí)，在兼顧網(wǎng)紋質(zhì)量和珩磨效率的前提下，往復(fù)換向加速度的提高，使Va在Vx、Vy范圍內(nèi)選取時(shí)更接近Vy，有利于珩磨效率的提高。因此在機(jī)床整體性能允許的范圍內(nèi)換向加速度越高越好。

3 珩磨油石的壓力和硬度的影響

珩磨油石壓力是珩磨時(shí)油石與工件加工表面接觸產(chǎn)生的壓力［8］，珩磨油石壓力的大小直接影響工件表面質(zhì)量、油石磨損量和工件尺寸精度、表面粗糙度［9］。以金剛石油石和碳化硅油石為例：金剛石油石硬度高于碳化硅油石，在相同珩磨壓力和受力的情況下金剛石油石的磨損量小于碳化硅油石，壽命更長，且金剛石油石受力后變形量極小，保證了加工的可靠性。金剛石與碳化硅相比，硬度高，可產(chǎn)生更大的切削作用，但自勵(lì)性略差（自勵(lì)性是指磨粒在磨鈍后能夠及時(shí)破碎、脫落，露出新的加工表面的能力）。在一定的范圍內(nèi)，珩磨壓力越高，效率越高，同時(shí)也加劇了油石的變形和磨損，影響珩磨效率，壓力過大還會引起薄壁缸套類工件的微變形，降低加工精度。選用硬度高的油石材料，可降低油石變形和磨損。但是硬度高，自勵(lì)性就差，會降低珩磨工件表面質(zhì)量。從保證珩磨質(zhì)量的前提下提高效率的角度出發(fā)，粗珩油石要求硬度較高，磨損量低，壽命長，可承受大的珩磨速度和珩磨壓力；精珩選用硬度低但自勵(lì)性高的油石材料。由此知油石壓力選擇除考慮機(jī)床的功率大小、珩磨頭及珩磨夾具的剛性等因素外，最重要的選用原則是根據(jù)不同加工工序階段油石材料硬度及被加工工件圓度、直線度要求合理選擇。珩磨速度和油石壓力的調(diào)整遵循粗珩效率優(yōu)先，精珩表面質(zhì)量優(yōu)先。

4 結(jié)論

本文論述了珩磨速度、換向加速度、油石壓力和油石硬度對珩磨效率的影響，通過以上分析結(jié)論如下。

（1）珩磨速度直接影響珩磨效率，換向加速度直接影響換向區(qū)面積大小和換向區(qū)網(wǎng)紋質(zhì)量，高速高效珩磨要以高的換向加速度作保證。

（2）在油石磨削性能和機(jī)床整體性能允許的條件下，油石壓力越大，珩磨效率越高。珩磨速度和油石壓力的調(diào)整遵循粗珩效率優(yōu)先、精珩工件工作面質(zhì)量優(yōu)先的原則，具體選用除考慮機(jī)床的功率大小、珩磨頭及珩磨夾具的剛性等因素外，還要以加工工序、油石材料的硬度、自勵(lì)性等為依據(jù)。最終的目的是油石壓力的選定能在粗精加工的不同階段兼顧油石損耗和珩磨效率。

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