超精加工方法和應(yīng)用研究

胡琳浩 高崗

【摘?要】超精加工是一種對(duì)工件表面光整和精整的加工方法。它可以在很短的時(shí)間內(nèi)，將工件從一般磨削后的表面粗糙度值Ra=0.2～0.4μm，降低到Ra=0.012～0.050μm，消除磨削中的缺陷和變質(zhì)層，使工件的使用壽命提高幾倍，因而廣泛應(yīng)用于各種材料和精密零件的最終加工中。

【關(guān)鍵詞】超精加工;方法;應(yīng)用

引言

超精加工技術(shù)廣泛應(yīng)用是未來(lái)汽輪發(fā)電機(jī)制造領(lǐng)域的必然趨勢(shì)，它的普及也進(jìn)一步說(shuō)明了我國(guó)科技水平的進(jìn)步，相信在不久的將來(lái)，超精加工技術(shù)的應(yīng)用一定會(huì)涉及到各個(gè)制造領(lǐng)域。

1超精加工的原理

超精加工是采用磨料為微粉的油石，在一定的壓力作用下，以短行程的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，對(duì)工件表面進(jìn)行微量磨削，如圖1所示，其中F為壓力，A為油石振幅，vc為工件速度，vf為縱向進(jìn)給速度。

超精加工廣泛應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)曲軸、凸輪軸、刀具、軋輥、軸承滾道和滾子、精密量具及電子儀器等精密零件的加工，能對(duì)鋼、鑄鐵、磷青銅、鋁、玻璃、花崗巖、硅和鍺等材料進(jìn)行加工，能加工外圓、內(nèi)圓、平面、球面、圓弧面和特殊輪廓面。

2超精加工的必要性

隨著我國(guó)技術(shù)水平的提高，產(chǎn)品需求不再局限于表面層面，如“適用”、“適用”或“簡(jiǎn)單”，產(chǎn)品的易用性是產(chǎn)品選擇的重要組成部分。在日益全球化的過(guò)程中，國(guó)內(nèi)企業(yè)不僅面臨國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)，更主要的是外國(guó)企業(yè)的壓力。為了在競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)上跟上競(jìng)爭(zhēng)，必須優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量，盡可能廣泛地開(kāi)發(fā)產(chǎn)品，導(dǎo)致生產(chǎn)加工更加詳細(xì)和復(fù)雜。光澤加工作為制造領(lǐng)域的后處理可以大大提高產(chǎn)品質(zhì)量，是制造商在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中的重要工具。、

3超精加工的特點(diǎn)

與磨削加工相比，超精加工具有以下特點(diǎn)：①超精加工能顯著提高工件表面質(zhì)量，可使工件的使用壽命提高5倍左右。②超精加工后的工件在裝配運(yùn)轉(zhuǎn)后噪聲大幅減小，振動(dòng)減小，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。③磨削加工去除余量為0.01mm左右，而超精加工去除余量為0.001mm以下，尺寸分散度小且穩(wěn)定。④磨削加工的工件表面有微觀尖峰，加工紋理為直紋（見(jiàn)圖2a），當(dāng)工件運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，難存潤(rùn)滑油，還會(huì)產(chǎn)生燒傷。而超精加工表面沒(méi)有尖峰，加工紋理為交叉網(wǎng)紋，易存潤(rùn)滑油和形成潤(rùn)滑膜，工件不易磨損。⑤超精加工時(shí)間短，只需幾秒到十幾秒，加工效率是高精度鏡面磨削的幾十倍。⑥超精加工所用設(shè)備簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和標(biāo)準(zhǔn)化，表面粗糙度值Ra可達(dá)0.006～0.05μm。

4影響超精加工應(yīng)用的主要因素

1990年代早期來(lái)自美國(guó)的前體在歐美設(shè)計(jì)了技術(shù)公差為0.013mm的旋轉(zhuǎn)軸。但是，目前，我們很難利用這種技術(shù)來(lái)縮小技術(shù)差距，只在工藝和發(fā)現(xiàn)領(lǐng)域縮小差距，而應(yīng)用超細(xì)加工的主要因素是三個(gè)因素：（1）我國(guó)的制造業(yè)和全剖藝術(shù)。2）近年來(lái)專業(yè)人員短缺，尖端加工的重要性增加，但人才培養(yǎng)不是"一夜之間"的狀態(tài)，造成時(shí)間和工作量的增加、技能的缺乏和發(fā)展障礙的擴(kuò)大;3）先進(jìn)技術(shù)的硬件需求較高，這意味著硬件需求較高，成本較高，并且對(duì)于強(qiáng)大的大型企業(yè)來(lái)說(shuō)易于管理。但是，對(duì)于中小型企業(yè)來(lái)說(shuō)，它們非常昂貴，我們的中小型企業(yè)在要處理的應(yīng)用程序中占有很大比例。

5超精加工方法

超精加工各種工件內(nèi)外表面，工件在夾具中的定心方式可分為無(wú)定心和有定心兩種。根據(jù)進(jìn)給方式可分為軸向進(jìn)給、切入進(jìn)給和圓周進(jìn)給。

5.1超精加工外圓

圖3a所示為加工小直徑圓柱體外圓，工件在導(dǎo)輥上旋轉(zhuǎn)并做軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)輥近似雙曲線體且較長(zhǎng)，無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)。圖3b所示也是加工圓柱體外圓，工件在圓柱導(dǎo)輥上旋轉(zhuǎn)，無(wú)軸向進(jìn)給，可加工階梯軸和大直徑工件。圖3c、3d所示分別為采用軸向進(jìn)給和雙頂尖定位，加工較長(zhǎng)、直徑較大的圓柱體和圓錐體工件。

5.2超精加工的具體應(yīng)用

有許多高精度應(yīng)用場(chǎng)合，簡(jiǎn)要介紹了齒輪電機(jī)的軸承區(qū)域。拉伸軸承通常分為三個(gè)區(qū)域：軸承加工、軸承半加工和整個(gè)光源階段：1）軸承加工。大部分金屬材料都會(huì)被切割、快速切割、粉碎、移除軸承表面的較大凸起，從而產(chǎn)生軸承零件的粗糙平滑表面。2）半剖軸承。加工過(guò)程中，砂輪和軸承接觸面面積增大，相應(yīng)壓力減小，磨削效果下降，磨削石處于半熟階段，軸承表面顯得較暗。3）整個(gè)光源階段是精加工的最后一步。當(dāng)磨料噴射和軸承表面之間的接觸區(qū)域達(dá)到一定程度時(shí)，切割效果將減小，直到最終停止切割運(yùn)動(dòng)。在這種情況下，軸承表面復(fù)蓋了一層潤(rùn)滑劑，軸承部分最終似乎會(huì)發(fā)光。

6緊湊的自動(dòng)化磨床

這款磨床不僅小巧緊湊，而且同樣具有哈斯馬格品牌兩個(gè)較大尺寸通用磨床的多樣性功能。得益于30m/s的傳動(dòng)速度，這款設(shè)備與哈斯馬格前任機(jī)型相比，不僅速度加倍，全新CU磨床的寬度同樣減少50mm。開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)為此進(jìn)行了眾多研究，例如：至今在礦鑄件機(jī)座內(nèi)帶有大型冷卻劑容器的冷卻設(shè)備被置于設(shè)備下方。一項(xiàng)積極的影響在于，通過(guò)對(duì)位于磨床后方的切削液進(jìn)行不斷冷卻，可以對(duì)裝有冷卻劑容器的機(jī)座進(jìn)行持久冷卻，這有助于設(shè)備實(shí)現(xiàn)磨削時(shí)的極高精度。另一項(xiàng)體現(xiàn)創(chuàng)造力與大型設(shè)備專業(yè)能力的特點(diǎn)是在磨床中集成了自動(dòng)化單元，作為自動(dòng)化單元的集成托盤(pán)夾持系統(tǒng)在許多情況下可以替代外部搬運(yùn)系統(tǒng)，并避免額外空間需求?？偠灾?，全新設(shè)備的占地需求還不到帶有冷卻設(shè)備與機(jī)械手的前任機(jī)型的一半。為了可以串聯(lián)更多設(shè)備，刀具更換器的裝卸、裝備以及設(shè)備編程均位于磨床前端。維護(hù)在設(shè)備后方進(jìn)行，左右兩翼未設(shè)置維護(hù)與維修開(kāi)口。該設(shè)備不但節(jié)省了空間，而且全新磨床的刀具更換器根據(jù)刀具尺寸可以容納9～14個(gè)刀位，這是前任機(jī)型容量的三倍。刀庫(kù)同樣獲得了全新的非常規(guī)排列。刀具更換環(huán)位于機(jī)床工作臺(tái)之下，并可由操作人員從前端進(jìn)行操作。操作人員無(wú)需在機(jī)床后端裝載刀庫(kù)，這可以在串聯(lián)設(shè)備安裝下節(jié)省工作路徑。

結(jié)束語(yǔ)

實(shí)踐證明，超精加工是一種快捷有效的光整加工方法，運(yùn)用面廣，實(shí)用性強(qiáng)?？捎糜谀ハ骱蟮墓ぜ砻婧透鞣N精密零件內(nèi)外表面的最終加工。本文介紹了超精加工的原理和方法，正確選擇油石、工藝參數(shù)和切削液，可快速消除磨削缺陷，降低表面粗糙度值，并使超精加工后的工件表面形成有利于存留潤(rùn)滑液的網(wǎng)狀紋理，提高使用壽命。

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（作者單位：河南工學(xué)院）