□ 洪彥奎 □ 王保民 □ 李勝利

北方通用動(dòng)力集團(tuán) 石家莊 050081

隨著高功率密度發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，為保證氣缸套內(nèi)孔表面具有較高的耐磨性、抗蝕性和抗熱疲勞強(qiáng)度等綜合優(yōu)良性能，不僅氣缸套內(nèi)孔尺寸及形位精度要求越來越嚴(yán)格，而且對(duì)其內(nèi)表面物理組織、微觀結(jié)構(gòu)要求也更為苛刻［1］。

普通珩磨和普通內(nèi)孔磨削作為傳統(tǒng)的孔加工技術(shù)［2］，均有其技術(shù)缺陷。普通珩磨技術(shù)特點(diǎn)：采用砂條工作，加工痕跡為規(guī)則紋路，加工過程中發(fā)熱量較小，不易燒傷工件，但難以高效實(shí)現(xiàn)表面粗糙度達(dá)鏡面標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)孔加工。普通內(nèi)孔磨削技術(shù)特點(diǎn)：采用砂輪或砂帶工作，加工痕跡為不規(guī)則紋路，雖然技術(shù)本身能實(shí)現(xiàn)內(nèi)孔拋光，但加工過程中既會(huì)因殘余應(yīng)力產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象，又會(huì)因發(fā)熱量較大而燒傷加工表面，從而引起物理組織發(fā)生改變，最終影響零件工作面的機(jī)械性能。因此，加工內(nèi)表面達(dá)鏡面標(biāo)準(zhǔn)且要求摩擦副能形成有效潤滑油膜的氣缸套時(shí)，普通珩磨和內(nèi)孔磨削根本無法實(shí)現(xiàn)。

為解決上述問題，筆者提出了“珩拋”的新概念，探討了珩拋工藝的技術(shù)原理，對(duì)加工方式、工藝參數(shù)、加工磨具、輔料選擇等多方面進(jìn)行了深入研究，攻克了薄壁、高度強(qiáng)化表面鏡面超精加工技術(shù)的難題，實(shí)驗(yàn)證明了珩拋對(duì)薄壁、高度強(qiáng)化表面鏡面超精加工的可行性和合理性。

1 珩拋加工原理

珩拋加工是一種新型復(fù)合超精加工技術(shù)，在珩拋加工過程中，油石上各磨粒在工件表面上的運(yùn)動(dòng)速度如圖1所示。

▲圖1 珩拋加工原理圖

設(shè)油石上下運(yùn)動(dòng)的往復(fù)速度與周向回轉(zhuǎn)線速度構(gòu)成切削方向角為 θ，合成切削速度v為：

切削方向角θ為：

式中：vg為磨頭回轉(zhuǎn)的線速度，r/min；vs為磨頭往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度，r/min；D 為磨頭直徑，mm；ng為磨頭轉(zhuǎn)速，r/min；a為磨頭工作行程，mm；f為磨頭往復(fù)頻率，次/min。

θmax是珩拋加工的重要工藝參數(shù)，對(duì)加工生產(chǎn)率和表面粗糙度有較大的影響。

在合理確定工藝參數(shù)、油石參數(shù)、冷卻液等前提下，當(dāng)油石最初接觸比較粗糙的工件表面時(shí)，由于接觸點(diǎn)面積小，壓強(qiáng)大，工件與油石之間不能形成完整的潤滑油膜，加之油石磨粒的切削方向經(jīng)常變化，磨粒破碎較多，磨鈍的情況少，油石具有良好的自勵(lì)性，因此，這時(shí)的油石主要起切削作用。隨著工件表面被磨平，同時(shí)還有極細(xì)的切屑所形成的氧化物嵌入油石空隙，使油石表面形成光滑表面，接觸面積逐漸增大，單位面積上的壓強(qiáng)逐漸減小，潤滑油膜也逐漸形成，最后便自動(dòng)停止切削，起到光整拋光的作用。

如果光滑的油石表面再一次與待加工的工件表面接觸，由于較粗糙的工件表面破壞了油石的光滑表面，又可恢復(fù)油石的自勵(lì)性能，切削過程可以再一次進(jìn)行。

2 主要工藝參數(shù) 、油石、冷卻液的確定

2.1 加工技術(shù)要求

某氣缸套毛坯為含鉻、鉬、鋁、錳等化學(xué)成分的專用高強(qiáng)度無縫鋼管， 其材料特性：σb≥980 MPa，σs≥835 MPa，δ5≥15%，ψ≥50%，AKv≥71J， 氣缸套內(nèi)表面終加工前進(jìn)行離子氮化處理，氮化層硬度≥80HRA，壁厚最薄處僅3.5 mm，內(nèi)孔表面粗糙度Ra≤0.05 μm。由此可見，該零件不僅材料強(qiáng)度、硬度及韌性均很高，其切削加工性能很差，而且結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)壁厚很薄，屬于典型的薄壁弱剛性零件，極易產(chǎn)生加工變形［3］。最重要的是，內(nèi)孔表面粗糙度要求很高，采用傳統(tǒng)的加工技術(shù)難以保證氣缸套內(nèi)孔表面的加工質(zhì)量。

2.2 珩拋加工主要工藝參數(shù)的確定

影響珩拋加工生產(chǎn)率和加工質(zhì)量的主要因素有：工藝參數(shù)（如 θmax、f、a、p 等）、油石以及冷卻潤滑液的質(zhì)量和性能。

2.2.1 最大切削方向角θmax

θmax愈大，油石的切削作用愈強(qiáng)，生產(chǎn)率愈高，但加工粗糙度較差。因此，珩拋初加工時(shí)θmax宜選大些，取25°；珩拋終加工時(shí) θmax宜選小些，取 15°。 當(dāng) θmax選定后，要使vs（或f、a）與vg的比值符合已經(jīng)選定的θmax角。

2.2.2 磨頭往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度vs

磨頭往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度愈高，單位時(shí)間內(nèi)磨粒的切削長度愈長，切削作用愈強(qiáng)，因而加工效率高。但磨頭往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度卻受到磨頭和工藝系統(tǒng)動(dòng)剛度的限制，速度過高可能使工件表面出現(xiàn)振紋，會(huì)降低表面光潔度。試驗(yàn)證明：珩拋初加工磨頭往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度vs取44.9 m/min，珩拋終加工磨頭往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度vs取31.7 m/min較合理。

2.2.3 磨頭工作行程a

磨頭工作行程a愈大，切削作用亦愈強(qiáng)，但磨粒形成的網(wǎng)紋軌跡愈粗，對(duì)提高表面光潔度不利。試驗(yàn)證明：珩拋初加工宜選大些，a=240mm；珩拋終加工宜取小些，a=180mm。

2.2.4 磨頭圓周速度vg

圓周速度vg愈高，切削角θ愈小，磨粒的切削作用減弱，加工效率降低，對(duì)提高表面光潔度有益。但圓周速度也不宜太高，否則,會(huì)引起工藝系統(tǒng)振動(dòng)，反而使表面光潔度變差。合理值：珩拋初加工vg=96.3 m/min，珩拋終加工vg=118.2 m/min。

2.2.5 油石壓強(qiáng)p

壓強(qiáng)較大時(shí)，切削作用較強(qiáng)，加工效率較高。但如壓強(qiáng)過大，磨粒容易劃傷工件表面，表面光潔度變差。壓強(qiáng)過小，油石自勵(lì)性能差，不僅切削作用差，加工效率低，而且磨粒易鈍化，對(duì)表面光潔度產(chǎn)生不利影響。試驗(yàn)證明：珩拋初加工取20 bar(1bar=0.1 MPa)，珩拋終加工取35 bar較合理。

2.3 珩拋加工油石參數(shù)的確定

珩拋加工過程中，油石既要有切削作用，又要有拋光性能。因此珩拋加工選用的油石合適與否很重要。

2.3.1 確定油石材質(zhì)

油石磨料種類的選擇，需根據(jù)工件材料選定［4］。由于本氣缸套材料含鉻、鉬、鋁、錳等金屬元素，待加工表面又經(jīng)過離子氮化處理，表面金相組織特殊，考慮到化學(xué)元素分子間的親和作用及各化合物的相互影響，選用碳化硅作為本珩拋加工磨料較合適。

2.3.2 確定油石粒度

油石粒度太粗影響珩拋表面質(zhì)量，但油石粒度太細(xì)會(huì)降低加工效率。因此，確定油石粒度時(shí)，須綜合權(quán)衡多方因素的利弊。

2.3.3 確定油石磨料結(jié)合劑

油石粘結(jié)劑有陶瓷、樹脂、聚乙烯等多種，考慮到本氣缸套材料化學(xué)成分的特殊性及待珩拋加工表面處理狀態(tài)，宜選用陶瓷粘結(jié)劑。

2.3.4 確定油石硬度

根據(jù)“以軟克硬”理論，加工離子氮化處理后（硬度很高）的氣缸套內(nèi)表面，需選用硬度低一些的油石，使磨鈍了的磨?？禳c(diǎn)脫落，以便油石經(jīng)常保持有銳利的磨粒在工作，并要求同一根油石上各處硬度應(yīng)均勻，硬度差不能超過8 HRC。

綜上所述，通過多次工藝試驗(yàn)，選用切削性能好而且物理性能優(yōu)越、化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定的油石SCK180S18VS和EKK600LE14-17Ba，分別用于珩拋初加工和珩拋終加工。

2.3.5 確定油石尺寸

由于油石在珩拋過程中既起磨削作用，又起導(dǎo)向作用，油石的尺寸越大，搭接部分越長，與工件的接觸面積也越大，參加切削的磨粒就多，對(duì)孔的修磨作用會(huì)越好，而且加工精度及切削效率亦愈高。但是，若油石尺寸太大就難以保證其與工件在全長上的良好接觸。

由于本氣缸套精度要求較高，為保證珩拋加工后氣缸套內(nèi)孔有較高的圓柱度，經(jīng)過計(jì)算，將油石長度確定為250 mm。

油石的寬度對(duì)保證工件內(nèi)孔的圓度有較大的影響，寬的油石對(duì)減小表面波度有利，但若油石過寬，則使工件回轉(zhuǎn)方向上油石兩側(cè)的切削作用差別增大，因而油石兩側(cè)的磨削不均勻。通過反復(fù)試驗(yàn)，油石寬度確定為10 mm。

2.4 珩拋加工油石修磨

使用油石時(shí)應(yīng)將其修整成與工件直徑大小一致的圓弧，以保證與被加工氣缸套內(nèi)孔表面有較好的接觸。修整時(shí)，將磨頭裝在磨床兩頂尖之間，由磨床主軸帶動(dòng)磨頭回轉(zhuǎn)，用粗顆粒砂輪將油石修成圓弧面。

2.5 珩拋加工冷卻潤滑液的確定

冷卻潤滑液對(duì)珩拋加工的質(zhì)量影響很大。其主要作用是沖洗切屑和脫落的磨粒，并在油石和工件之間形成油膜以自動(dòng)控制切削過程。所以，不僅要求有良好的潤滑性能，而且要求油性穩(wěn)定，無分解腐蝕作用［4］。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，選用嘉實(shí)多HONILO 980冷卻潤滑液較理想。在珩拋加工時(shí)配置循環(huán)系統(tǒng)，可使冷卻潤滑液得到不斷過濾凈化。

3 珩拋工藝技術(shù)主要工序

珩拋加工是在數(shù)控設(shè)備Z800-180上進(jìn)行的，如圖2所示。

3.1 加工工序安排

由于珩拋加工余量很小，而氣缸套內(nèi)孔精度要求較高，須先完成珩拋準(zhǔn)備工序，再進(jìn)行珩拋加工，才可形成理想的珩拋工作表面。

▲圖2 珩拋加工設(shè)備（主要工作部分）

3.2 珩拋準(zhǔn)備工序

經(jīng)過反復(fù)論證，將珩拋準(zhǔn)備工序分為粗珩、精珩兩步完成，具體加工過程如下。

（1）粗珩：采用D181金剛石砂條，在30～32 bar壓力條件下，加工100 s左右，即切削掉0.02 mm左右加工余量，修正氣缸套內(nèi)孔磨削留下的形狀公差，形成適合后續(xù)精珩的基本工作表面。

（2）精珩：采用D126金剛石砂條，在30 bar壓力條件下，加工80 s左右，即切削掉0.015 mm左右加工余量，修正粗珩留下的加工痕跡，形成適合后續(xù)珩拋加工的基本工作表面。

3.3 珩拋加工過程

上述準(zhǔn)備工序完成后，將珩拋工序分為初加工和終加工兩個(gè)加工階段，并在雙進(jìn)給磨頭上同時(shí)安裝兩種油石，既可完成兩個(gè)工步的工作內(nèi)容，又可消除重復(fù)裝夾定位誤差的影響,最終形成理想的珩拋內(nèi)孔表面。具體加工過程如下。

（1）珩拋初加工（從廣義上講，此階段屬于珩磨階段）：在前述所設(shè)定的主要工藝參數(shù)等條件下加工20 s左右，即切削掉珩拋加工余量（0.005～0.01 mm）的90%左右，可全部消除精珩工序留下的加工痕跡，修正氣缸套內(nèi)孔的形狀公差，形成精度較高的圓柱形內(nèi)孔和適合珩拋終加工所需的表面粗糙度。

（2）珩拋終加工（從廣義上講，此階段屬于拋光階段）：在前述所設(shè)定的主要工藝參數(shù)等條件下加工80 s左右，即切削掉其余的珩拋加工余量，進(jìn)一步修正珩拋初加工留下的氣缸套內(nèi)孔表面缺陷，形成精度很高的圓柱形內(nèi)孔，使加工表面達(dá)到鏡面標(biāo)準(zhǔn)。

4 珩拋超精加工機(jī)理分析

反復(fù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，珩拋超精加工機(jī)理非常復(fù)雜，但基本可分為3種加工狀態(tài)，即：切削狀態(tài)、半切削狀態(tài)和鏡面拋光狀態(tài)。

在切削狀態(tài)下，磨粒切削刃鋒利，油石氣孔沒有堵塞，磨出的表面上有無數(shù)相當(dāng)明顯的切削痕跡，表面無光澤。

在半切削狀態(tài)下，脫落的磨粒與切屑堵塞了油石表面上的部分氣孔，部分磨粒的切削刃開始鈍化，從而使油石切削能力下降。但由于部分磨粒脫落，油石表面上露出了一些新的磨粒，這些新的磨粒切削刃參加切削。因而，加工表面的切削痕跡較淺，具有較暗的光澤。

在鏡面拋光的加工狀態(tài)下，油石表面的氣孔被堵塞，沒有磨粒脫落的痕跡，油石表面變成很光潔的表面。這時(shí)，鈍化了的磨粒拋光工件表面，加工表面上無切削痕跡，達(dá)到鏡面標(biāo)準(zhǔn)。

試驗(yàn)結(jié)果證明，p、vg、f、a、θ 等工藝參數(shù)對(duì)珩拋加工狀態(tài)均有較大影響，其中，油石壓強(qiáng)p是最重要的。如果p選得過低，在切削狀態(tài)下，只能切去表面粗糙度的“山峰”的一部分，轉(zhuǎn)入到半切削狀態(tài)后，油石的切削作用減弱，無能力切去余下的粗糙度的“山峰”，因而在工件表面上留下上工步的加工痕跡。相反，若壓強(qiáng)p選得過高，超過臨界壓強(qiáng)，則在切去表面上的“山峰”后，油石的磨粒仍具有切削作用，直到將加工余量切完，工件表面仍達(dá)不到鏡面要求。只有將壓強(qiáng)p選定在上述“臨界壓強(qiáng)”附近，才會(huì)使加工狀態(tài)自動(dòng)地由切削狀態(tài)轉(zhuǎn)到半切削狀態(tài)，進(jìn)而轉(zhuǎn)到鏡面拋光狀態(tài)，使加工表面達(dá)到鏡面標(biāo)準(zhǔn)。

5 珩拋加工內(nèi)孔表面質(zhì)量

5.1 加工表面粗糙度

表1列出了隨機(jī)抽取的10件經(jīng)珩拋加工的氣缸套內(nèi)孔表面質(zhì)量情況。由表中數(shù)據(jù)可見，表面粗糙度值均在0.045 μm以下，與普通珩磨加工一般所達(dá)到的最高表面粗糙度0.2 μm相比，其效果相當(dāng)好。

5.2 氣缸套表面磨損

氣缸套表面的耐磨性是非常重要的技術(shù)指標(biāo)，它影響發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能。為驗(yàn)證珩拋加工后氣缸套內(nèi)孔的工作性能，在某型號(hào)柴油機(jī)上進(jìn)行了500 h耐久性臺(tái)架考核試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果證明，珩拋加工后的氣缸套內(nèi)孔表面工作狀況良好，磨損量非常?。ń?jīng)500 h考核試驗(yàn)后，“平均磨損量”僅為0.002 5 mm），沒有發(fā)現(xiàn)劃傷與異常磨損痕跡，無穴蝕情況，完全滿足整機(jī)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)及可靠性要求。

5.3 珩拋加工技術(shù)分析

通過上述實(shí)驗(yàn)分析可知，珩拋加工技術(shù)對(duì)于難加工材料的薄壁內(nèi)孔件的加工，是非常有效的加工方法，使加工表面可以獲得很小的粗糙度值，有效提高零件的耐磨損性能，其主要原因如下。

（1） 磨粒具有規(guī)則的運(yùn)動(dòng)軌跡，且能在加工過程中從切削作用過渡到光整拋光，在工件表面上留下的磨痕非常淺，可以得到很高的光潔度。

（2）由于磨痕呈規(guī)則交叉網(wǎng)紋狀，且非常細(xì)密，很有利于油膜的形成，其耐磨性比普通珩磨和內(nèi)孔磨削的表面更高。

（3）可以修正零件內(nèi)孔形狀公差，形成精度很高的圓柱形內(nèi)孔。

（4）由于油石在加工過程中作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，磨粒的切削方向發(fā)生規(guī)律性改變，因此磨粒破碎的機(jī)會(huì)多，自勵(lì)性好，故切削效率很高。

表1 珩拋加工后氣缸套內(nèi)孔表面質(zhì)量情況

6 結(jié)束語

綜上所述，通過科學(xué)制定工藝方案，合理確定珩拋加工工藝參數(shù)（切削方向角、油石壓強(qiáng)、磨頭往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度、工件圓周速度等），優(yōu)選珩拋加工油石（材質(zhì)、粒度、結(jié)合劑、硬度、尺寸等）及冷卻潤滑液，可獲得優(yōu)越的薄壁、高度強(qiáng)化零件超精加工表面。

“珩拋”加工技術(shù)作為先進(jìn)制造技術(shù)，可以明顯提高零件表面的物理力學(xué)性能，改善零件表面的應(yīng)力分布狀態(tài)，大幅提高零件摩擦副的抗疲勞強(qiáng)度、耐磨性及抗腐性，從而改善柴油機(jī)清潔度，提高柴油機(jī)有效功率，降低油耗，減小噪聲，縮短磨合期，延長其使用壽命，是改善柴油機(jī)整機(jī)性能的有效途徑。在有效提高高強(qiáng)度鋼質(zhì)零件內(nèi)孔表面質(zhì)量方面具有推廣價(jià)值及發(fā)展?jié)摿Γ?、?nèi)燃機(jī)等零件的一些高精度內(nèi)孔表面超精加工均適合采用該技術(shù)。

［1］ 朱廷福,張會(huì)文.發(fā)動(dòng)機(jī)主要零件的加工工藝和設(shè)備 (六)［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),1997（8）.

［2］ 候家駒.機(jī)械制造工藝學(xué) ［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1991.

［3］ 韋清芳.薄壁純鐵零件制造工藝技術(shù)［J］.工具技術(shù)，2008（12）.

［4］ 趙如福.金屬切削加工工藝人員手冊(cè)［M］.上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，1992.