李衛(wèi)權(quán)

(東華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620)

引 言

近年來，機(jī)械零件的精整與光飾加工技術(shù)在國內(nèi)各行各業(yè)應(yīng)用十分廣泛。隨著我國機(jī)械裝備制造業(yè)的迅速發(fā)展，在該領(lǐng)域，拋光技術(shù)的需求和應(yīng)用也越來越廣泛。如紡織機(jī)械中PAN碳纖維、高強(qiáng)度聚乙烯及長絲及改性滌綸等新材料的生產(chǎn)設(shè)備制造技術(shù);印刷機(jī)械中的新型高檔印刷機(jī)的精密制造;煤礦機(jī)械高端液壓支架的研制和開發(fā)等。在這些設(shè)備中使用的一些機(jī)件，如溝槽輥、導(dǎo)絲輥、壓輥、熱輥、串水輥或活柱等零件，設(shè)計要求機(jī)械性能、輥體精度、公差尺寸和動平衡等級都非常高，部分輥體表面鍍覆層外觀質(zhì)量要達(dá)到超鏡面效果。為使產(chǎn)品滿足設(shè)計要求，需要深入研究機(jī)械零件拋光加工技術(shù)，找到切實(shí)可行的工藝加工方法。

通過對零件拋光技術(shù)文獻(xiàn)的研究，發(fā)現(xiàn)目前關(guān)于這方面的綜合研究及應(yīng)用的文獻(xiàn)資料發(fā)展較快，但與電鍍鉻工藝、噴涂陶瓷工藝相結(jié)合的參考文獻(xiàn)并不多。如果將機(jī)械零件拋光制造領(lǐng)域的研究成果加以總結(jié)完善，并且予以應(yīng)用和推廣，將會極大提升國內(nèi)相關(guān)行業(yè)產(chǎn)品的核心競爭力。

1 拋光加工的地位和作用

目前，先進(jìn)制造技術(shù)已經(jīng)是衡量一個國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要手段之一。許多發(fā)達(dá)國家都十分重視先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展和水平，將它作為本國的科技優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域和高技術(shù)的實(shí)施重點(diǎn)。它能夠?qū)Ξa(chǎn)品革新、擴(kuò)大再生產(chǎn)和提高國際市場經(jīng)濟(jì)競爭能力帶來巨大影響，成為當(dāng)今世界各國發(fā)展國民經(jīng)濟(jì)的重要舉措。有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，工業(yè)化國家中有70% ～80%的物質(zhì)是制造業(yè)創(chuàng)造的［1］，而先進(jìn)制造技術(shù)能夠通過不斷對制造技術(shù)優(yōu)化和創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)制造企業(yè)及其產(chǎn)品對動態(tài)多變市場的適應(yīng)性和核心競爭能力的發(fā)展目標(biāo)。因此先進(jìn)制造技術(shù)已成為衡量一個國家綜合實(shí)力和科技發(fā)展水平的重要標(biāo)志。作為先進(jìn)制造技術(shù)的一個重要組成部分，拋光加工可以明顯改善機(jī)件表面的粗糙度及裝飾效果，并保持其精度的穩(wěn)定性。隨著制造業(yè)裝備的進(jìn)一步發(fā)展，將會對拋光加工技術(shù)提出更高的要求。

2 拋光加工技術(shù)研究現(xiàn)狀

目前，對拋光加工機(jī)理，國內(nèi)還缺乏有針對性的系統(tǒng)研究，對拋光加工新技術(shù)和新工藝的加工動態(tài)過程也缺乏系統(tǒng)的認(rèn)識，阻礙了拋光加工技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展［1］，從而也影響了拋光加工技術(shù)的完善、應(yīng)用和推廣。對于拋光加工的重要作用，國內(nèi)大部分企業(yè)還缺乏必要的認(rèn)識，對拋光加工技術(shù)的本質(zhì)還沒有真正理解和掌握，即使采用同樣的工藝，質(zhì)量與國外同類產(chǎn)品相比，差距也很明顯。近年來，隨著國內(nèi)機(jī)械裝備制造領(lǐng)域技術(shù)的不斷發(fā)展，各行各業(yè)在設(shè)備開發(fā)過程中出現(xiàn)了一些傳統(tǒng)工藝難以加工的工件，這些工件對表面質(zhì)量要求很高，設(shè)計外觀呈鏡面或超鏡面效果。如何研究開發(fā)出新的拋光加工工藝解決好這些技術(shù)難題，是相關(guān)制造企業(yè)面臨的一項(xiàng)新課題。2011年，國內(nèi)一家碳纖維設(shè)備的使用廠家，對于設(shè)備中的導(dǎo)絲輥、溝槽輥等關(guān)鍵零件，提出不但要從零件加工精度方面高標(biāo)準(zhǔn)，還要求外觀達(dá)到超鏡面視覺效果。應(yīng)該以對待工藝品表面質(zhì)量的態(tài)度去制造加工，成品總裝后，件件都是精品。

現(xiàn)階段，國內(nèi)大多數(shù)企業(yè)仍然采用傳統(tǒng)的機(jī)械拋光加工工藝，磨輪與機(jī)件表面初始接觸時，磨損量較大，機(jī)件表面精度無法保證。在磨具的強(qiáng)力擠壓作用下，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)，隱藏了其表面真實(shí)形貌。在后期的使用過程中，由于疲勞磨損引起不斷脫落，表面質(zhì)量變得越來越差;經(jīng)這種工藝加工過的零件，外觀光亮但沒有明顯鏡面效果，表面粗糙度只能達(dá)到Ra0.1μm左右，且不易保證工件尺寸。而經(jīng)非傳統(tǒng)及復(fù)合拋光加工的機(jī)件，其微觀表面形貌為波浪狀或圓弧凹坑狀，摩擦系數(shù)較低，磨輪與機(jī)件表面初始接觸時，磨損量較小，精度保持性良好，耐磨損、耐腐蝕和抗疲勞性能明顯改善，表面粗糙度可達(dá)到Ra0.001μm，具有超鏡面視覺效果。代表著未來拋光加工技術(shù)的發(fā)展方向。因此必須從實(shí)際出發(fā)，研究和開發(fā)適合我國制造業(yè)拋光加工的新技術(shù)，盡快縮短與國外發(fā)達(dá)國家之間的差距。

我國的拋光加工技術(shù)起步較晚，20世紀(jì)60年代開始對化學(xué)及電化學(xué)拋光技術(shù)的研究，但發(fā)展較慢。20世紀(jì)80年代初，脈沖電化學(xué)加工和電化學(xué)機(jī)械拋光加工技術(shù)在我國得到迅速發(fā)展。在電化學(xué)機(jī)械拋光加工、脈沖電化學(xué)機(jī)械拋光加工方面，大連理工大學(xué)進(jìn)行了廣泛而深入的研究，創(chuàng)造了較好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。在最近幾年中，太原理工大學(xué)一直在探索新的研究方法，希望運(yùn)用數(shù)字試驗(yàn)和物理試驗(yàn)結(jié)合的方法，建立數(shù)學(xué)模擬仿真模型，對拋光加工技術(shù)進(jìn)行微觀加工機(jī)理的研究和先行數(shù)值試驗(yàn)，完成設(shè)備的結(jié)構(gòu)和加工參數(shù)的優(yōu)化，為拋光加工技術(shù)的研究提供了新的途徑。2011年，在中國國際表面處理展會現(xiàn)場，西班牙奧特普(AUTOPULIT)自動拋磨機(jī)有限公司，已通過建模和計算機(jī)仿真，生產(chǎn)出應(yīng)用計算機(jī)控制的超精密機(jī)械拋光數(shù)控設(shè)備，工件拋光后可以達(dá)到超鏡面視覺效果。

3 拋光加工技術(shù)發(fā)展趨勢

拋光加工技術(shù)按照加工時能量的作用形式，主要可分為機(jī)械法、化學(xué)和電化學(xué)法、熱能法三大類。這種分類方法有助于理解某種具體拋光加工技術(shù)的機(jī)理和本質(zhì)。根據(jù)磨料或磨具在加工過程中所處的狀態(tài)，機(jī)械法又可分為自由磨具拋光加工和非自由磨具拋光加工兩種形式［2］。

拋光加工技術(shù)的功能主要有:改善表面粗糙度，消除劃痕、夾灰和細(xì)微裂紋等缺陷;降低表面摩擦系數(shù)，提高耐磨性;提高零件表面物理力學(xué)性能，改善零件表面應(yīng)力分布狀態(tài);提高零件精度，保證裝配工藝性;改善零件表面的光澤度、光亮程度，符合清潔生產(chǎn)要求;提高零件及整機(jī)的使用壽命;提高鍍覆層與基體的結(jié)合力，滿足外觀裝飾性要求等。

從拋光加工發(fā)展的過程來看，大體經(jīng)歷了手工研磨和拋光→機(jī)械拋光加工→非傳統(tǒng)拋光加工→復(fù)合拋光加工四個階段，由此可見，其發(fā)展趨勢是在不斷改善機(jī)件表面質(zhì)量的同時，提高生產(chǎn)效率;在保證機(jī)件高精度要求的同時，實(shí)現(xiàn)機(jī)件批量生產(chǎn)的機(jī)械化、自動化、柔性化和智能化。

精密和超精密加工技術(shù)、微細(xì)和超微細(xì)加工技術(shù)是現(xiàn)代制造技術(shù)的一個重要發(fā)展方向，研究和開發(fā)新的復(fù)合拋光加工技術(shù)，解決不斷涌現(xiàn)的新型材料和復(fù)合材料超精密加工的新課題，值得科技工作者認(rèn)真探索和研究。目前，實(shí)現(xiàn)這些加工所采用的方法主要有電解磨削、磁流體研磨、化學(xué)-機(jī)械拋光(CMP)加工、脈沖電化學(xué)機(jī)械拋光加工、磁粒拋光加工、電化學(xué)磁粒拋光加工和研磨液體射流加工等技術(shù)［3-5］。其中CMP技術(shù)已應(yīng)用于微電子機(jī)械系統(tǒng)、光學(xué)玻璃、精密閥門及金屬材料等制造領(lǐng)域;電化學(xué)磁粒拋光技術(shù)在對不銹鋼、鉛-銻合金等材料的精加工應(yīng)用中效果良好。進(jìn)入21世紀(jì)，國內(nèi)外越來越多的技術(shù)研究和產(chǎn)品制造都正在通過計算機(jī)建立數(shù)學(xué)仿真模型實(shí)現(xiàn)，產(chǎn)品的質(zhì)量品質(zhì)得到了很大的提高，同時大大縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期，開發(fā)成本顯著降低［6］。近年來，中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所根據(jù)Preston方程，建立了磁流體輔助拋光數(shù)學(xué)模型，研究分析了磁流體輔助拋光后拋光區(qū)的形貌，得到表面粗糙度為Ra0.76nm的光學(xué)元件。同時他們在大型非球面光學(xué)鏡面的數(shù)控加工技術(shù)方面取得了令人矚目的發(fā)展，成功研制出CCOM1600計算機(jī)控制拋光機(jī)，可對d=1300mm拋面主反射鏡進(jìn)行加工，代表了我國在拋光技術(shù)裝備方面的制造水平。在國際上，超精密加工技術(shù)處于領(lǐng)先地位的國家主要是美國、英國和日本。這些國家在這個領(lǐng)域的加工技術(shù)不僅總體成套水平高，而且商品化的程度也很高。英國的Cranfeild大學(xué)的精密工程研究所(簡稱CUPE)在全球享有較高的聲譽(yù)，研制的大型超精密金剛石車床加工的非球面反射鏡最大d可達(dá)1400mm，已成功應(yīng)用在X射線天體望遠(yuǎn)鏡上;CUPE最新研制的Nanocentre(納米加工中心)，是一種超精密復(fù)合加工系統(tǒng)，可進(jìn)行超精密車削、磨削和拋光，工件加工精度可達(dá)0.1μm，表面粗糙度Ra＜10nm，代表世界領(lǐng)先水平［1］。

4 鏡面拋光技術(shù)的研究

4.1 金屬的機(jī)械拋光

4.1.1 基體表面對鍍覆層的影響

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，這些表層附著物妨礙電鍍液或涂層與金屬基體充分接觸，影響著表面鍍覆層的外觀色澤、結(jié)晶粗細(xì)、致密性、結(jié)合力及均勻度等。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。

在表面處理過程中，金屬基體表面的機(jī)加工紋路、毛刺、銹層、夾灰、結(jié)瘤及固體顆粒等必須清除干凈，盡可能降低其表面粗糙度，確保工件表面光滑、平整。否則很難獲得致密，孔隙率低，高平滑性的鍍覆層。在電鍍過程中，基體表面與鍍層是通過金屬鍵結(jié)合，鍍件表面粗糙度越低，其結(jié)合力越好;而在熱噴涂陶瓷過程中，涂層與基體表面通過機(jī)械咬合作用結(jié)合，基體表面粗糙度越低，涂層表面越光滑，孔隙率越低，耐蝕性越高。另一方面，基體表面的粗糙度越低，電鍍時其表面真實(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［7］。

4.1.2 基體表面的整平機(jī)理

目前國內(nèi)大部分制造商在輥軸類零件拋光加工過程中，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］，有生產(chǎn)效率高，投入成本較低，適合批量性生產(chǎn)加工等特點(diǎn)，但粉塵和噪音均較大，拋光精度及工件表面粗糙度較差，表面粗糙度最低為 Ra0.045 ～0.070 μm，外觀呈鏡面裝飾效果;另一種為濕性砂帶拋光法，設(shè)備前期投入成本較高，生產(chǎn)過程無粉塵，噪音也較低，拋光精度高，工件表面粗糙度最低為 Ra0.001 ～0.005μm，外觀呈超鏡面裝飾效果，但生產(chǎn)效率較低，適合高精度、小批量生產(chǎn)。干式拋光時，磨輪表面涂有拋光蠟，沿切線方向高速旋轉(zhuǎn)并與機(jī)件表面接觸，由于切削力的強(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，砂帶通過接觸輪與工件被加工表面接觸。接觸輪材質(zhì)一般為橡膠或塑料，砂帶基底材料是布、紙或聚酯薄膜，它們都有一定的彈性，磨削時，由于磨粒的擠壓作用，機(jī)件加工表面同樣會產(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，受力也較均勻。從加工原理分析，濕性砂帶拋光采用細(xì)化磨粒、載體研磨帶和加工液的多種組合，兼有研磨和拋光的作用，是一種復(fù)合加工技術(shù)。在機(jī)件表面進(jìn)行超精密振動研磨，達(dá)到超鏡面的裝飾效果。

4.2 金屬表面電化學(xué)拋光

4.2.1 電化學(xué)拋光的原理

電化學(xué)拋光一般采用以磷酸為主的電解拋光液，零件為陽極。在電解過程中，對具有微觀粗糙的零件進(jìn)行處理，金屬工件產(chǎn)生陽極溶解，其表面粗糙度降低，能獲得鏡面光亮與整平的精飾加工效果，可用于裝飾性電鍍的前處理［10］。多年來，由于電化學(xué)拋光過程的復(fù)雜性，各種電化學(xué)拋光機(jī)理都存在一定的局限性，至今沒有獲得較為統(tǒng)一的理論。

根據(jù)電解液組成、陽極金屬的性質(zhì)，選取不同的電解液濃度、溫度、電流密度等工藝參數(shù)，在陽極表面可能存在以下三種反應(yīng)［11］:

1)金屬的溶解 Me－2e→ Me2+;

2)陽極表面生成鈍化膜 Me－2e+H2O→MeO+2H+;

3)氣態(tài)氧的析出 2H2O－4e→4H++O2↑。

4.2.2 電化學(xué)拋光的特點(diǎn)

電化學(xué)拋光的光亮性和整平性比較好，溶液使用壽命長，拋光速度快，拋光效率高。零件表面及板材沖孔邊緣毛刺去除效果好，表面粗糙度可以降低2～3級，光反射率高，裝飾效果較好，對零件幾何形狀要求不高［12］;光亮處理后的不銹鋼產(chǎn)品及各種金屬構(gòu)件無氫脆性，工件無變形等［13-14］，拋光設(shè)備與工裝夾具簡單，投資較小。

電化學(xué)拋光缺點(diǎn)在于:不同金屬材料電解液的通用性較差;較難保持零件尺寸和幾何形狀的精確度;金屬基體表層的純度和組織均勻性對最終表面質(zhì)量影響較大;金屬表面的微觀裂紋、夾灰等缺陷經(jīng)電化學(xué)拋光后被有效放大。

4.2.3 電化學(xué)拋光新技術(shù)

近年來，精密與超精密加工技術(shù)在制造業(yè)中發(fā)展迅速，磁場、脈沖及超聲波等技術(shù)與自動化、智能化技術(shù)相互融合形成的一些復(fù)合電化學(xué)拋光技術(shù)也不斷獲得突破［15］，傳統(tǒng)的拋光加工工藝越來越難以滿足高精度拋光的要求。如何才能更有效地提高電化學(xué)拋光的效率，實(shí)現(xiàn)自動化電化學(xué)拋光，進(jìn)一步降低機(jī)件的表面粗糙度，成為國內(nèi)外重點(diǎn)研究的課題［16］。

4.3 金屬表面超聲波拋光

4.3.1 超聲波拋光原理

工作原理是通過具有適當(dāng)輸出功率(50～1000W)的超聲高頻振動系統(tǒng)產(chǎn)生的超聲振動能量附加到拋光工具(硬質(zhì)滾輪等)或作用于待加工金屬工件表面，從而使工具或工件以高頻、小振幅進(jìn)行超聲頻機(jī)械振動摩擦，使工件表層金屬產(chǎn)生塑性變形，在塑性變形的過程中達(dá)到為工件拋光目的的表面拋光加工方法。拋光過程中產(chǎn)生了冷作硬化，達(dá)到了改善表面質(zhì)量的目的。這種表面質(zhì)量的改善是綜合的，既有硬度的提高，又有表面粗糙度降低，同時也彌合了一些微觀裂紋，提高了工件的疲勞強(qiáng)度、耐磨性和耐腐蝕性。

4.3.2 超聲波拋光的特點(diǎn)

與傳統(tǒng)的砂紙砂光、拋光、磨削比較，超聲波拋光加工具有以下一些優(yōu)點(diǎn)［17］:

1)滾輪與工件的接觸為斷續(xù)捶擊，減小了相互間的摩擦，加工區(qū)溫度大幅度降低，避免了因溫度過高造成的表面缺陷;

2)表面粗糙度大幅度降低，可以降低三級以上，達(dá)到 Ra0.02μm 以下;

3)有效提高已加工表面的耐磨性、耐腐蝕性以及抗疲勞強(qiáng)度。超聲波拋光加工表面屬于壓縮型塑性變形，工件表面會產(chǎn)生一定的壓應(yīng)力，表面硬度提高20%以上，疲勞強(qiáng)度提高一倍左右;

4)設(shè)備投資較少。經(jīng)過簡單改裝，在普通車床上即可進(jìn)行拋光加工，對大型和超大型工件，拋光效果更為明顯;

5)不產(chǎn)生切屑，生產(chǎn)效率較高。其加工效率相當(dāng)于精車，拋光硬質(zhì)合金的生產(chǎn)效率比普通拋光提高近20倍;

4.3.3 超聲波拋光應(yīng)用范圍

超聲波拋光加工設(shè)備可用于內(nèi)外圓表面、平面的加工，如各種缸體內(nèi)外圓、液壓活塞桿或冶金大型鋼軋輥等，可直接替代磨削和珩磨;所加工的金屬種類比較寬泛，加工后，金屬表面最高硬度可達(dá)HRC60。

5 兩種技術(shù)的有效結(jié)合

機(jī)件表面經(jīng)過機(jī)械拋光加工、電化學(xué)拋光加工后，進(jìn)行電鍍鉻或噴陶瓷處理，再進(jìn)行超精密振動研磨拋光，將改善零件鍍覆層表面的質(zhì)量。粗糙度、孔隙率明顯降低。用時代TR200粗糙度測試儀檢測，高速卷繞頭壓絲輥鍍鉻件輥體表面光亮帶粗糙度可達(dá)Ra0.001μm，外觀呈超鏡面視覺效果，呈像清晰;電拋光不銹鋼鍍鉻導(dǎo)絲板表面粗糙度可達(dá)Ra0.1μm，外觀呈鏡面視覺效果;長絲FDY熱輥表面陶瓷層粗糙度可達(dá)Ra0.1μm，外觀呈鏡面裝飾效果［18］。經(jīng)過超聲波拋光加工過的機(jī)件，金屬基體的表面硬度提高20%以上，硬度最高可達(dá)HRC60，疲勞強(qiáng)度可提高近一倍，表面粗糙度可以降低三級以上，最高可達(dá)Ra0.02μm以下，外觀呈鏡面視覺效果，大大改善了傳統(tǒng)工藝鍍鉻加工后機(jī)件表面的綜合機(jī)械性能及裝飾效果。

6 結(jié)語

綜上所述，在對機(jī)件鍍覆層的加工過程中，將機(jī)械拋光加工、電化學(xué)拋光加工、超聲波拋光加工與電沉積工藝、噴涂陶瓷工藝有效地結(jié)合起來，在保證零件高精度的同時，使機(jī)件表面達(dá)到鏡面裝飾效果，大幅度提高機(jī)件和整機(jī)設(shè)備的綜合使用性能。該項(xiàng)技術(shù)具有較高的市場推廣價值，產(chǎn)品附加值較高，將提升制造業(yè)產(chǎn)品的核心競爭力，也符合現(xiàn)階段我國制造業(yè)發(fā)展的方向。

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