光整加工技術(shù)在金屬涂鍍層中的研究

李衛(wèi)權(quán)

(東華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620)

引 言

光整加工不僅可用于去除因其他加工方式產(chǎn)生的紋路、劃痕等缺陷，還可以產(chǎn)生功能性應(yīng)用的結(jié)構(gòu)性表面［1］，是涂鍍技術(shù)“面子工程”不可或缺的重要組成部分。按照加工時(shí)能量的作用形式，光整加工技術(shù)主要分為機(jī)械法、化學(xué)和電化學(xué)法及熱能法三大類。在加工過程中，根據(jù)磨料或磨具所處的狀態(tài)，又將機(jī)械法分為自由磨具光整加工，非自由磨具光整加工兩種形式［2］。

光整加工技術(shù)的文獻(xiàn)資料較多，但與涂鍍層工藝相結(jié)合的參考文獻(xiàn)并不多。因此，研究和開發(fā)適合我國制造業(yè)涂鍍層光整加工的新技術(shù)，縮短與國外發(fā)達(dá)國家之間的差距是努力方向。本文重點(diǎn)介紹機(jī)械法光整加工技術(shù)的研究與應(yīng)用。

1 金屬基體表面光整加工技術(shù)

1.1 概 述

金屬的表面指固氣界面或固液界面，是指金屬中具有不同結(jié)構(gòu)、成分或雖然成分結(jié)構(gòu)相同但晶體位相不同的交界面。一般將凝聚相與氣相之間的分界面稱為表面，將凝聚相之間的分界面叫做界面，而不同凝聚相之間的分界面就叫做相界面。同一相晶粒之間的分界面叫做晶界，晶粒度小到微米以下的晶粒則叫做微晶。工件表面經(jīng)過研磨拋光后，最外層形成δ為1～100nm的非晶體結(jié)構(gòu)的微晶層，次層為塑性變形層，δ為1～10μm，在近次層區(qū)域還可能產(chǎn)生其他變性層，例如雙晶、再結(jié)晶或相變層等。

由于表面原子重構(gòu)、偏析、化學(xué)層、吸附層乃至一些缺陷等的產(chǎn)生，金屬表面的晶體結(jié)構(gòu)也會發(fā)生變化。表面粗糙度通常是由所采用的加工方法和其他一些因素形成的。例如磨削工具與工件表面產(chǎn)生的摩擦、金屬表層的塑性變形及系統(tǒng)設(shè)備產(chǎn)生的高頻震動等［3］。

評定表面粗糙度的標(biāo)準(zhǔn)最常用的為輪廓算術(shù)平均偏差Ra和輪廓均方根偏差Rq，另外較常用的還有微觀不平度10點(diǎn)高度Rz以及輪廓最大高度值Ry。

算術(shù)平均偏差的數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

均方根偏差的數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

上式中，Zi表示以中線為起點(diǎn)度量出的廓型高度;n表示在選取樣品標(biāo)準(zhǔn)長度L內(nèi)的測量次數(shù)。

金屬基體的初始表面往往覆蓋著氧化層、油層和普通沾污層，其厚度取決于周圍的環(huán)境、介質(zhì)和已氧化的基體金屬的性質(zhì)。只有去除這些附著物，露出金屬的自然色澤和表面金相組織結(jié)構(gòu)，鍍覆層才能在其表面正常生成，從而得到高質(zhì)量的鍍覆層。

對于外觀裝飾性及精度等級要求較高的機(jī)件，還需盡可能降低其表面粗糙度。確保工件經(jīng)預(yù)處理后，表面平整、清潔、光滑。否則很難獲得致密，孔隙率低，高平滑性的鍍覆層。例如電鍍層的質(zhì)量問題，如粗糙、起泡、起皮、花斑、針孔、氣流痕、脫落及局部無鍍層等缺陷，鍍前預(yù)處理不當(dāng)和欠佳占到了80%。特別是鍍層與基體的結(jié)合強(qiáng)度、耐腐蝕性能以及外觀質(zhì)量等，與鍍前預(yù)處理的質(zhì)量關(guān)系很大。在電鍍過程中，必須保證電解液與工件被鍍表面具有良好的接觸并且被鍍液完全浸潤的條件下，電沉積過程才能正常進(jìn)行。

在金屬基體晶格上外延生長的鍍層結(jié)合力良好，基體表面與鍍層是通過金屬鍵結(jié)合，鍍件基體表面越清潔，粗糙度越低，其結(jié)合力越好，鍍層光亮度也更高;另一方面，基體表面的粗糙度越低，電鍍時(shí)其表面真實(shí)電流密度較高，很容易達(dá)到金屬的沉積電勢，反之則不容易達(dá)到金屬的沉積電勢，在電鍍過程中伴隨有大量氫氣的析出［4］。

粗糙不平的鍍層，不僅外觀質(zhì)量較差，而且耐蝕性也不如平整光滑的鍍層。由于工件上的一些微觀裂紋、縫隙及夾灰處的污物沒有去除干凈，而且在整個(gè)表面處理過程中可能積藏酸堿液或電解液，鍍后工件在存放時(shí)就會滲出腐蝕性液體，使鍍層表面出現(xiàn)黑斑或白點(diǎn)，加速鍍層的腐蝕。如果對經(jīng)過精密加工后的表面再采用機(jī)械拋光后，明顯凹凸不平的表面將變得光亮平整，便于生成結(jié)晶細(xì)致和外觀質(zhì)量符合要求的鍍覆層。

研究認(rèn)為，通過拋光作用，金屬表面被磨粒拋磨去表面層原子，次層在瞬間保持著較好的流動性，并且在凝固之前，由于表面張力的作用而變得平滑。另一種理論認(rèn)為，拋光是一種兩表面張力效應(yīng)，由于拋光是摩擦而產(chǎn)生熱，能使金屬基體表面軟化或熔融，但由于基體金屬有很高的熱導(dǎo)率，表面層又迅速地凝固成非晶態(tài)，在凝固之前，由于磨粒的摩擦力和表面張力的作用而變得非常光滑平整，因此不能再認(rèn)為是簡單的機(jī)械拋磨。拋光既適用于鍍前預(yù)處理，也適用于對涂鍍后的覆蓋層進(jìn)行精飾加工，降低表面粗糙度，使之具有鏡面般的光澤。

表1列出了國內(nèi)目前各種常用的光整加工工藝方法、所用的加工工具、能達(dá)到的精度和表面粗糙度、被加工材料及應(yīng)用情況［5］。

表1 光整加工方法

1.2 干性磨輪拋光加工技術(shù)

干性磨輪拋光加工，離不開拋光機(jī)床、拋光輪和拋光蠟。對于特殊結(jié)構(gòu)類零件所采用的異形拋光輪，是由磨料與粘接劑組成的多孔質(zhì)的回轉(zhuǎn)工具。由于制作磨輪的材料、磨粒材料及粘接劑等的多樣性，所以磨輪的種類和型號也多種多樣。在生產(chǎn)過程中，可以根據(jù)工件表面的材質(zhì)、技術(shù)要求中所規(guī)定的加工精度及表面粗糙度來選擇最適宜的磨輪和拋光條件進(jìn)行加工。幾乎所有軟金屬、低碳鋼、不銹鋼、合金工具鋼、鍍覆層表面、非金屬的精密和超精密拋光都可以通過干性拋光技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。

1.2.1 干性拋光加工機(jī)理

干性拋光和研磨一樣，是將拋光蠟涂抹在高速旋轉(zhuǎn)的低彈性材料如無紡布、棉布、麻及毛氈等拋光輪上面，對工件進(jìn)行光整加工的一種工藝方法。固體拋光蠟由拋光粉和黏合劑混合而成，按照其最終拋光效果來分，一般分為粗拋蠟、中拋蠟、精拋蠟、超精拋蠟和超鏡面拋光蠟五種。生產(chǎn)中習(xí)慣用顏色來區(qū)別，常用的有三種拋光蠟:

1)白色拋光蠟。主要組分為純度較高的氧化鈣和氧化鋁細(xì)粉，呈圓形且無銳利棱角，適用于拋光鎳、鋁或銅等軟質(zhì)金屬以及粗糙度要求比較低的精拋光。

2)紅色拋光蠟。主要由氧化鐵、長石微細(xì)粉、脂肪酸和白蠟等混合而成，適用于鋼鐵制品電鍍前的拋光。

3)綠色拋光蠟。主要組分為氧化鉻微粉和脂肪酸，磨料硬而鋒利，適用于硬質(zhì)合金剛、不銹鋼或鉻鍍層的拋光。

拋光一般不能提高工件形狀精度及公差等級。磨料一般為＜1μm以下的微細(xì)磨粒，拋光時(shí)以磨粒的微小塑性切削生成切屑為主體，磨粒在工件表面的流動摩擦使工件表面的微觀凹凸趨于一致;同時(shí)在拋光過程中，工件表面和磨粒之間受到局部高溫高壓的作用而產(chǎn)生直接的化學(xué)反應(yīng)，有利于促進(jìn)拋光效果。

機(jī)件干性拋光處理要想達(dá)到不同的拋光效果，選用何種型號拋光輪，配合何種特性拋光蠟，采用怎樣的工藝參數(shù)和流程等都極為關(guān)鍵。例如，對于特殊結(jié)構(gòu)零件溝槽部位，就需要考慮選用彈性軟質(zhì)磨輪，確保工件表面拋光加工時(shí)，不會造成機(jī)械損傷。

1.2.2 影響干性拋光加工的工藝因素

干性拋光的拋光精度、拋光效率和表面粗糙度與拋光過程中的工藝因素密切相關(guān)，見表2［6］。對影響干性拋光主要工藝因素的分析和研究，將有助于確定其工藝方案優(yōu)化的努力方向。

表2 影響干性拋光的主要工藝因素

1.3 精密和超精密砂帶磨削技術(shù)

精密與超精密加工的精度界限，不同的時(shí)代與科學(xué)發(fā)展階段有不同的標(biāo)準(zhǔn)［5］。一般按照加工精度劃分為普通加工、精密加工、高精度加工、超精密加工和極超精密加工。隨著生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，劃分的界限將逐漸向前推移。超精密加工又可分為微細(xì)加工、超微細(xì)加工、光整加工及精整加工等。通常把加工精度在0.1 ～1.0μm、加工 Ra在0.02 ～0.10μm之間的加工稱為精密加工;高于0.1μm、表面Ra小于0.01μm的加工稱為超精密加工。也有從被加工部位發(fā)生破壞和去除材料大小的尺寸單位來劃分。物質(zhì)是由原子構(gòu)成的，從機(jī)械破壞的角度看，最小的破壞是以原子級為單位，約為幾埃米。把接近加工極限，以原子級為單位去除被加工材料的加工技術(shù)稱為超精密加工。根據(jù)去除材料的大小尺寸單位可將加工分為四種情況，分別是龜裂、位錯(cuò)、晶格破壞和原子級破壞等，如圖1［5］。目前超精密加工新技術(shù)應(yīng)用已進(jìn)入納米級精度。光整加工一般是指降低工件表面粗糙度和提高表面層力學(xué)性質(zhì)的一種加工方法，不著重于提高零件的加工精度，比較強(qiáng)調(diào)工件的表面粗糙度。鏡面光整加工，一般定義為加工零件表面 Ra達(dá)到 0.02～0.01μm，外觀光澤如鏡的光整加工方法，也屬于超精密加工技術(shù)的范疇［6］。

圖1 去除量與其相關(guān)因素

超精密磨削技術(shù)是在一般磨削技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。在保證工件獲得精度等級較高的幾何形狀和公差尺寸的同時(shí)，還要達(dá)到鏡面級的表面粗糙度。對于超精密磨削加工設(shè)備，除要考慮各種工藝因素外，還必須具有配套使用的高精度以及高阻尼特性的基準(zhǔn)部件，以便消除各種動態(tài)誤差的影響。

砂帶磨削有彈性磨削、萬能磨削和冷態(tài)磨削之稱。是一種高精度、高效率和低成本的新型超精密磨削方法，可以獲得很高的加工精度和表面質(zhì)量，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)加工中，砂帶磨削技術(shù)已被視為是與砂輪磨削同等重要的一種不可或缺的重要加工方法。砂帶磨削在各種材料的磨削和超精密拋光中得到了廣泛的應(yīng)用，適用于大型帶材、大型薄板、長徑比很大的薄壁孔和輥軸類零件的加工。隨著砂帶制造質(zhì)量的提高和磨料品種的發(fā)展，砂帶磨削技術(shù)也得到了極大地提高。在保證機(jī)件獲得高精度的同時(shí)，達(dá)到超鏡面的表面粗糙度。

1.3.1 超精密砂帶磨削機(jī)理

超精密砂帶磨削是一種極微量切削，切削量極小，當(dāng)磨削深度小于金屬表面的晶粒大小時(shí)，磨削就在晶粒內(nèi)進(jìn)行，磨削力要求要大于晶粒內(nèi)部的原子、分子結(jié)合力，因此磨粒鋒口處受到高溫高壓的作用，受力將變得非常大，磨粒材料需要具備較好的耐溫和耐磨損功能。一般多用氧化鋁、碳化硅或金剛石等超硬磨料。

超精密砂帶磨削時(shí)有微切削、塑性流動、滑擦和彈性破壞等作用，當(dāng)鋒口鋒利時(shí)，微切削作用較強(qiáng)，產(chǎn)生一定的磨削深度;當(dāng)鋒口發(fā)鈍時(shí)，磨粒切削刃不能有效切入工件，會產(chǎn)生滑擦、塑性流動等。

采用超精密砂帶研磨設(shè)備、精密修整或微細(xì)磨料磨具，可以達(dá)到了微米亞微米級以下的磨削效果，因此，工件的尺寸精度和形位精度比較容易達(dá)到微米級和亞微米級，并且表面也容易達(dá)到鏡面加工效果。

1.3.2 砂帶磨削的特點(diǎn)

與砂輪磨削相比，砂帶磨削在磨削加工機(jī)理方面以及綜合磨削性能方面都有其自身的一些特點(diǎn)。

1)砂帶磨削同時(shí)具有磨削、研磨和拋光的多重功效;此外，由于砂帶的彈性磨削特點(diǎn)，使得砂帶在磨削區(qū)域內(nèi)與工件接觸的長度比砂輪要大一些，磨削時(shí)，參加的磨粒數(shù)目較多，單顆磨粒所受的載荷較小，且受力比較均勻，磨粒破損小。

2)通常采用先進(jìn)的靜電植砂法，使通過精篩過的針狀磨粒均勻直立于砂帶基底，鋒口朝上定向整齊排列，具有容屑間隙大、等高性好和接觸面小的特點(diǎn)，切削性能優(yōu)良。

3)由于砂帶磨削時(shí)磨粒與工件接觸面較小，加工精度高，摩擦產(chǎn)生的發(fā)熱量較小，可以有效地減少工件變形及燒傷的發(fā)生。又稱冷態(tài)磨削。

4)砂帶在磨削時(shí)與工件是柔性接觸，具有較好的磨削、研磨和拋光等復(fù)合加工作用，磨削系統(tǒng)加工過程振動小，磨削速度比較穩(wěn)定，表面粗糙度均勻且較低，殘余應(yīng)力狀態(tài)好。又稱彈性磨削。

1.3.3 精密和超精密砂帶磨削方式

砂帶磨削方式主要有開式砂帶磨削和閉式砂帶磨削兩種，如圖2。常用開式砂帶磨削方式。通常采用市售成卷砂帶，卷帶輪經(jīng)電動機(jī)減速機(jī)構(gòu)，帶動砂帶極緩慢的移動。磨削砂帶繞過接觸輪，以一定的工作壓力與被加工工件表面接觸。工件在回轉(zhuǎn)過程中，工作臺或砂帶頭架作軸向及徑向進(jìn)給，實(shí)現(xiàn)對工件的精密磨削加工。開式砂帶磨削質(zhì)量穩(wěn)定，磨削效果較好，但工作效率不如閉式砂帶磨削，在精密和超精密磨削中應(yīng)用較為廣泛。圖2(a)為開式砂帶外圓磨削。

閉式砂帶磨削通常采用市售無接頭或有接頭的環(huán)形砂帶，通過張緊輪氣動撐緊，電動機(jī)通過接觸輪帶動砂帶高速回轉(zhuǎn)，工件同時(shí)作同向(或反向)轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)對工件的磨削加工。閉式砂帶生產(chǎn)效率高，噪音較大，容易發(fā)熱，僅適用于粗、半精磨削，圖2(b)為閉式砂帶外圓磨削。

圖2 精密砂帶磨削方式

1.3.4 精密砂帶磨削設(shè)備

精密砂帶磨削設(shè)備是根據(jù)零件形狀，選用相應(yīng)的接觸方式，通過高速運(yùn)動的砂帶對工件表面進(jìn)行磨削和拋光的機(jī)床，一般分為無心砂帶磨床、內(nèi)外圓砂帶磨床、平面砂帶磨床和專用砂帶磨床等。砂帶頭架為其關(guān)鍵部件，主要由卷帶輪、接觸輪、砂帶輪、基座和電動機(jī)等構(gòu)成。近年來，在傳統(tǒng)的砂帶磨削基礎(chǔ)上又發(fā)展了一種新型的砂帶振動磨削，是一種將機(jī)械振動與開式砂帶磨削疊加起來形成的復(fù)合加工方法。振動一般是疊加在接觸輪的軸向方向，由電動式激振器通過一特殊聯(lián)軸節(jié)帶動接觸輪作軸向振動，通過低頻信號發(fā)生器和功率放大器來控制激振器，振幅、頻率和激振力均可實(shí)現(xiàn)無極調(diào)整。砂帶輪軸上的蝶形彈簧機(jī)構(gòu)所產(chǎn)生的摩擦阻尼，確保砂帶在磨削過程中保持撐緊;移動油壓缸經(jīng)杠桿使接觸輪靠近或離開工件，始終保持一定的接觸壓力。壓力和移動速度的數(shù)值大小由液壓裝置調(diào)節(jié)［7］。增加了機(jī)械振動的主要作用如下:1)在磨削過程中，振動的疊加會形成復(fù)雜而又不重復(fù)的磨削軌跡，形成微觀網(wǎng)狀紋路，有利于降低工件表面的粗糙度值。2)由于增加了振動的作用，與砂帶磨削結(jié)合起來，加工表面不易出現(xiàn)劃痕。3)采用寬砂帶，沿接觸輪軸向振動，砂帶不易跑偏，磨損也比較均勻。

2 兩種光整加工技術(shù)的比較

目前國內(nèi)大部分制造商在輥軸類零件涂鍍層光整加工過程中，普遍采用非自由磨具機(jī)械法拋光加工技術(shù)。應(yīng)用最為廣泛的是干性磨輪拋光法［8］，有投入成本較低，生產(chǎn)效率高，適合批量性生產(chǎn)等特點(diǎn)。其缺點(diǎn)是粉塵和噪音較大，拋光精度及表面粗糙度較差，最低Ra只能達(dá)到0.1μm，沒有鏡面裝飾性效果;另一種為濕性砂帶拋光法，設(shè)備投資較高，噪音低，無粉塵，拋光精度較高，表面Ra最低為0.005～0.010μm，為超鏡面視覺效果。但這種工藝生產(chǎn)效率較低，適合高精度、小批量生產(chǎn)。干式拋光時(shí)，磨輪采用棉布、細(xì)毛氈等制成，對鑄鐵、鋼、鎳和鉻，最佳圓周速度為35～55m/s。一般磨輪的平均轉(zhuǎn)速為2000～3000r/min，磨輪表面涂有拋光蠟或拋光液，前者為磨料與粘接劑(硬脂酸、石蠟等)的混合物，后者為磨料與油或水乳劑的混合物。磨輪沿切線方向高速旋轉(zhuǎn)并與機(jī)件表面接觸，由于表面的不平整，在摩擦?xí)r實(shí)際上是點(diǎn)接觸，接觸點(diǎn)的溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于表面的平均溫度。由于作用時(shí)間短，加之金屬的導(dǎo)熱性非常好，使得熱點(diǎn)區(qū)域的溫度迅速下降，晶格中的原子來不及回到平衡位置，造成一定數(shù)量的晶格畸變，生成薄薄的一層非晶態(tài)層。隨著切削力的持續(xù)強(qiáng)力擠壓作用，在機(jī)件表面產(chǎn)生高溫，金屬基體表面產(chǎn)生塑性形變，尖點(diǎn)金屬開始產(chǎn)生塑性流動而被強(qiáng)制壓入到微觀凹坑內(nèi)，凹進(jìn)的部分被填平，在高溫作用下，一層極薄的氧化膜或其他化合物膜層在金屬表面快速生成，膜層經(jīng)過反復(fù)拋光，表層形貌得到了改善，最終形成光滑平整具有鏡面裝飾效果的表面［9］。

濕式砂帶拋光時(shí)，砂帶通過接觸輪與被加工工件表面接觸。接觸輪材質(zhì)為橡膠或塑料等，砂帶一般選用布、紙或聚酯薄膜作為基底材料，具有一定的彈性。磨削機(jī)件時(shí)，由于磨粒的擠壓作用，其被加工表面同樣會產(chǎn)生塑性變形，但由于彈性變形區(qū)的面積較大，磨粒承受的載荷較小，因此受力也較均勻。從加工原理分析，由于濕性砂帶拋光采用細(xì)化磨粒、載體研磨帶以及加工液的多種組合，故兼有研磨和拋光的作用［10］，既模糊了研磨和拋光的概念，又融合了研磨的高精度、拋光的高效率和較低的表面粗糙度，形成一種新的研拋復(fù)合加工技術(shù)。將該技術(shù)應(yīng)用于鍍鉻機(jī)件加工過程中，成品機(jī)件表面Ra可達(dá)到0.001μm，外觀呈超鏡面視覺效果;應(yīng)用于等離子噴涂陶瓷的光飾加工過程，Ra可達(dá)0.1μm，外觀呈鏡面裝飾效果。

3 結(jié)論

光整加工技術(shù)雖然種類較多，但其通用性不強(qiáng)。本文將機(jī)械光整加工技術(shù)的研究成果融入到涂鍍層技術(shù)領(lǐng)域中，針對不同種類機(jī)件表面處理技術(shù)要求，研究和開發(fā)出一種具有創(chuàng)新性的光整加工新技術(shù)，在保證零件高精度的同時(shí)，使機(jī)件表面達(dá)到超鏡面裝飾效果。目前，新開發(fā)成功的超精密濕性拋光技術(shù)已在高端市場中的碳纖維驅(qū)動單元機(jī)、高速卷繞頭、印刷機(jī)械、皮革制品等行業(yè)中得到了很好的應(yīng)用，產(chǎn)品外觀質(zhì)量及總裝綜合使用性能均達(dá)到或超過了國外同類產(chǎn)品先進(jìn)水平。

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