楊長勇 ，高紹武 ，徐九華 ，傅玉燦 ，楊能閣 ，閆 文 ，周曉衛(wèi)

（1. 南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院，南京 210016；2. 先進數(shù)控技術(shù)江蘇省高校重點建設(shè)實驗室，南京 211167；3. 中航工業(yè)西安航空發(fā)動機（集團）有限公司，西安 710021）

航空發(fā)動機被譽為“工業(yè)皇冠上的明珠”，其設(shè)計、材料與制造技術(shù)對于航空工業(yè)的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用，是一個國家科技水平、軍事實力和綜合國力的重要標志之一[1]。隨著科技的迅猛發(fā)展，以及航空工業(yè)水平的不斷提高，對航空發(fā)動機的性能也提出了更高的要求，如高推重比、高可靠性、超高速、長航時等。其中，航空發(fā)動機關(guān)鍵零部件的設(shè)計與制造精度又是實現(xiàn)航空發(fā)動機高性能的前提。

精密孔結(jié)構(gòu)廣泛存在于航空發(fā)動機中，如燃油噴嘴、軸承、齒輪及盤類零件等，其加工精度及表面完整性對零件的性能及疲勞壽命具有重要的影響。該類零件由于長期工作于高溫、高壓環(huán)境中，對高溫性能以及耐腐蝕性能有較高的要求；同時，為提高航空發(fā)動機的推重比，廣泛采用了高溫合金、鈦合金以及不銹鋼等具有高比強度的難加工材料。這些難加工材料在擁有優(yōu)異力學(xué)性能的同時，又給其磨削加工帶來一些問題，如磨削力大、磨削溫度高、砂輪磨損嚴重等，降低了加工精度及已加工表面的完整性[2-3]。因此，實現(xiàn)難加工材料精密孔的高效精密加工，是實現(xiàn)先進航空發(fā)動機精密零部件孔制造的重要途徑。

難加工材料珩磨技術(shù)存在的主要問題

珩磨是一種面接觸磨削工藝——油石表面磨粒在徑向壓力的作用下壓入內(nèi)孔表面，并作相對運動，從而去除干涉部分材料。20世紀初，珩磨技術(shù)應(yīng)汽車工業(yè)的需求而產(chǎn)生，用于汽缸孔表面的光整加工。早期的珩磨工藝受機床進給剛度及油石切削能力的限制，材料去除率低，僅能作為一種光整加工工藝改善已加工表面的質(zhì)量。隨著機床及油石制造水平的提高，珩磨工藝能力也不斷提升，材料去除率發(fā)生根本性變化，充分發(fā)揮出其面接觸磨削的效率優(yōu)勢。目前，珩磨工藝已不僅僅局限于光整加工工藝，在獲得較高的表面質(zhì)量的同時，可極大地提高內(nèi)孔的尺寸、形狀精度，故作為一種高效精密孔加工方法，已廣泛應(yīng)用于航空、航天、液壓、汽車等行業(yè)中[4]。

然而，對于高溫合金、鈦合金以及不銹鋼等典型難加工材料，其難加工性在珩磨加工中仍然存在。如難加工材料加工硬化趨勢嚴重，珩磨加工力大，油石磨損劇烈；同時，油石與磨屑發(fā)生嚴重黏附，堵塞油石，進一步降低了油石的切削能力；另外，其材料去除率遠低于常規(guī)材料的珩磨加工，降低了珩磨工藝對底孔的尺寸及形狀誤差的糾正能力[5-6]。如何提高難加工材料珩磨加工中的材料去除效率，是目前難加工材料孔珩磨加工中面臨的主要問題。

難加工材料高效精密珩磨技術(shù)研究現(xiàn)狀

1 高效精密珩磨工藝技術(shù)研究

高效精密珩磨工藝是指在保證珩磨加工精度的前提下，極大地提高珩磨加工的材料去除率，進而提高珩磨加工效率，實現(xiàn)“以珩代磨”，提高加工質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本?，F(xiàn)有的高效精密珩磨工藝主要包括兩類：一類是通過改進機床及工具的制造水平，將珩磨允許工藝參數(shù)提升一個數(shù)量級，進而實現(xiàn)材料去除率質(zhì)的提升，如高速珩磨及強力珩磨；另一類是將傳統(tǒng)珩磨工藝與其他的高效加工工藝相融合，優(yōu)勢互補，產(chǎn)生的新型復(fù)合高效精密珩磨工藝，如電解珩磨、超聲珩磨以及單沖程珩磨。

（1）高速珩磨。

高速珩磨是通過珩磨頭的高速旋轉(zhuǎn)，從而獲得較高珩磨加工線速度的一種珩磨加工工藝。珩磨頭是將油石安裝在油石座上所構(gòu)成的工具，油石自身尺寸的誤差及其裝配誤差共同決定了珩磨頭的誤差，故珩磨頭的幾何中心線與回轉(zhuǎn)中心線的偏心誤差e是不可避免的（圖1）。珩磨加工中，工具與工件相對浮動，工具在工件內(nèi)孔的導(dǎo)向下進入工件，從而保證工具的幾何中心線與內(nèi)孔的幾何中心線重合。工具轉(zhuǎn)動的同時，帶動工件一同圍繞回轉(zhuǎn)中心線做圓周擺動，故工具對工件施加了向心力，向心力的數(shù)值與偏心誤差及轉(zhuǎn)速的平方成正比。在珩磨工具高轉(zhuǎn)速情況下，向心力數(shù)值迅速增大，削弱了珩磨工藝過程的穩(wěn)定性及可控性，降低了珩磨加工精度。目前傳統(tǒng)珩磨加工主軸轉(zhuǎn)速一般不超過2000r/min。

圖1 珩磨工具橫截面Fig.1 Cross-section of honing tools

隨著珩磨工具制造水平的提高，特別是電鍍單層超硬磨料珩磨工具的出現(xiàn)，極大地改善了珩磨工具的偏心，珩磨工藝所允許的轉(zhuǎn)速也獲得了大幅提高。目前，KADIA公司生產(chǎn)的高速珩磨機床主軸轉(zhuǎn)速可達8000r/min，DEGEN公司生產(chǎn)的高速珩磨機主軸轉(zhuǎn)速可達到12000r/min。主軸轉(zhuǎn)速的提高帶來珩磨線速度的提高，在低速磨削區(qū)域，提高磨削速度可大幅降低磨削力，減少油石磨損[7]。Vrac等研究表明，珩磨線速度是影響珩磨材料去除率最顯著的因素[8]。高速珩磨使材料去除率顯著提高，有效解決了難加工材料珩磨加工中材料去除率低的問題，提高了珩磨加工的效率及對內(nèi)孔尺寸、形狀精度的修正能力。

（2）強力珩磨。

20世紀70年代末，國內(nèi)外開始發(fā)展強力珩磨，也稱為重切削珩磨。強力珩磨是用切削性能較強的油石和較高的珩磨壓力，在剛性較好的珩磨機上進行大余量或高效率的珩磨加工。De Beer公司的Juchem采用金剛石油石進行珩磨試驗，結(jié)果表明金屬的材料去除率與油石的切削壓力基本成正比關(guān)系[9]。先進強力珩磨機進給壓力可達6MPa，而普通珩磨工作壓力一般僅為0.5MPa，故強力珩磨材料去除率高，珩磨余量可增加到4mm[10]。由于強力珩磨的高材料去除率，使其能取代半精鏜以及磨削等中間工序，簡化了工藝流程。

強力珩磨的上述特性，可有效克服難加工材料珩磨加工中材料去除能力差的問題。陜西科技大學(xué)王寧俠對鈦合金和沉淀硬化不銹鋼精密孔進行強力珩磨加工試驗，試驗結(jié)果表明強力珩磨可有效去除材料，并修正內(nèi)孔的幾何形狀誤差，是解決該類難加工材料精密孔加工的有效工藝途徑[11]。

（3）電解珩磨。

電解珩磨是將電解加工與機械珩磨加工相結(jié)合的一種復(fù)合加工方法。電解珩磨中，工件作為陽極，材料主要以電化學(xué)溶解的形式去除，同時油石對工件表面鈍化層進行刮擦，珩磨頭的往復(fù)及旋轉(zhuǎn)運動對電解液起到攪拌作用，故電解珩磨加工材料去除率高于電解加工，可達傳統(tǒng)珩磨加工的8倍，同時已加工表面粗糙度可達0.04～0.005μm。珩磨頭往復(fù)運動過程中，與內(nèi)孔表面的接觸面積時刻變化，引起電場強度的變化，導(dǎo)致工件表面各點材料去除不均勻，降低了內(nèi)孔的尺寸及形狀精度。對此，大連理工大學(xué)郭東明等采用微型計算機對電解珩磨過程中工件表面掃描的電解電場強度進行實時控制，從而調(diào)控各點的金屬去除速度，同時實現(xiàn)高幾何精度與高表面質(zhì)量的加工，使得電解珩磨加工成為一種可去除大余量的高效精密內(nèi)孔加工工藝，而不僅僅局限于一種表面光整加工工藝[12-13]。

印度理工學(xué)院的Rao等研究了電解珩磨工藝參數(shù)對材料去除率及表面粗糙度的影響，為電解珩磨在生產(chǎn)中的應(yīng)用積累了重要的數(shù)據(jù)，并對TC4孔進行了電解珩磨試驗，已加工表面粗糙度降低了80%，且隨著加工時間的增加，材料去除率及材料力學(xué)性能沒有明顯降低[14-15]。

（4）超聲珩磨。

超聲珩磨是在傳統(tǒng)的珩磨加工中附加軸向超聲振動所形成的一種新型復(fù)合加工方法。20世紀70年代初，日本宇都宮大學(xué)的隈部淳一郎教授率先研究超聲加工技術(shù)，隨后超聲加工技術(shù)幾乎被應(yīng)用于所有傳統(tǒng)加工中，包括珩磨加工。80年代末，我國亦成功研制出臥式超聲珩磨裝置，對鈦合金、鋁合金等材料進行了超聲珩磨試驗。上海交通大學(xué)趙波等對超聲珩磨工藝系統(tǒng)的“局部共振”特性進行了研究，為超聲珩磨工藝系統(tǒng)的設(shè)計提供了理論指導(dǎo)[16]。南京航空航天大學(xué)祝錫晶等設(shè)計并制作出立式超聲珩磨裝置，并進行超聲珩磨試驗，在相同珩磨加工參數(shù)下，超聲珩磨的材料去除率是普通珩磨的2.5倍，且表面粗糙度更好，油石堵塞較少[17]。正是由于超聲珩磨具有珩磨力小、油石不易堵塞、加工效率高、加工質(zhì)量好等諸多優(yōu)點，故可有效解決難加工材料，尤其是強韌性難加工材料珩磨加工中存在的相應(yīng)問題。

在此基礎(chǔ)上，河南理工大學(xué)鄶吉才等將在線電解修銳（ELID）方法引入超聲珩磨中，發(fā)展出機-聲-電3種能量復(fù)合的新型加工工藝[18]。在線電解修銳-超聲珩磨工藝提高了珩磨過程中油石的鋒利保持性，在相同的珩磨工藝參數(shù)下，其加工精度較傳統(tǒng)珩磨提高了9倍，較超聲珩磨提高了1倍，在難加工材料高效精密珩磨加工中展示出極大的潛力。

（5）單沖程珩磨。

單沖程珩磨又稱為整體式珩磨或鉸珩，是采用整體式電鍍超硬磨料工具，在刀具旋轉(zhuǎn)的同時，一次性走刀通過工件內(nèi)孔，切除一定余量的材料加工方法（圖2）。其加工形式與平面磨削相似，可看作環(huán)形弧區(qū)磨削。由于刀具無需脹開，剛性好，不存在難加工材料傳統(tǒng)珩磨中珩磨力大、工具進給系統(tǒng)退讓變形、材料去除率低的問題。同時，單沖程珩磨加工的尺寸一致性高，形狀精度可達0.5μm，適用于難加工材料內(nèi)孔的高效、高一致性加工。

圖2 單沖程珩磨示意圖Fig.2 Schematic diagram of single-stroke honing

20世紀70年代，美國Diagrit金剛石工具公司率先提出單沖程珩磨工藝，并成功研制出電鍍金剛石鉸刀，用于液壓閥體孔的精密加工。隨著超硬磨料的發(fā)展，單沖程珩磨工藝在內(nèi)孔精密加工領(lǐng)域展示出巨大的潛力，到80年代末期已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中[19]。目前，國內(nèi)的珩磨機床生產(chǎn)廠家已經(jīng)意識到這種工藝的優(yōu)勢及前景，積極研發(fā)相關(guān)珩磨工具及工藝，并取得了顯著成果。

雖然單沖程珩磨工藝的應(yīng)用已日趨成熟，但與之相匹配的理論研究起步較晚，仍有待進一步探索。英國考文垂大學(xué)的Arunachalam設(shè)計正交試驗，對單沖程珩磨的工藝特性進行了系統(tǒng)的研究，為后續(xù)的研究工作積累了重要的數(shù)據(jù)[20]。

2 高效精密珩磨工具技術(shù)研究

難加工材料珩磨加工中，材料加工硬化嚴重，珩磨力大，油石磨損劇烈。油石磨損后便不具備加工能力，需進行修銳。油石修銳對工人的技術(shù)水平要求較高，且耗費工時，嚴重降低了珩磨加工效率，增加了加工成本。故對于難加工材料珩磨加工而言，提高珩磨工具自銳性及耐用度對提高珩磨加工效率有著重要的作用。

（1）混合普通磨料油石。

混合磨料油石是指將不同種類磨料按一定比例混合而制成的油石。在混合磨料油石中，不同種類的磨粒在特定的比例下，可以優(yōu)勢互補，提高油石的珩磨加工性能。珩磨油石中所采用的普通磨料包括氧化物系和碳化物系兩大類。氧化物系磨料（如單晶剛玉）自銳性較好，但油石磨損較快；碳化物系磨料（如綠碳化硅）切削能力強，但油石自銳性差。西安石油大學(xué)彭海等采用70%綠碳化硅和30%單晶剛玉磨料混合油石，對TC4進行珩磨試驗，珩磨效率高，油石粘附較少，磨粒不易破碎，具有良好的磨削效果[21]。

（2）立方氮化硼油石。

1957年，美國的Wentorf采用靜壓觸媒法，首次合成出立方氮化硼。由于其優(yōu)異的硬度、耐磨性和耐腐蝕性，作為超硬磨料，廣泛應(yīng)用于磨削加工中。同時，立方氮化硼對鐵族元素具有較強的化學(xué)惰性，特別適合于鎳基高溫合金、鈦合金、不銹鋼等難加工材料的高效磨削加工。20世紀70年代，國外開始采用金屬結(jié)合劑立方氮化硼油石進行珩磨加工；到80年代中期，立方氮化硼油石在珩磨加工中的比例已達到29.4%，僅次于金剛石油石； 90年代初期，隨著“以珩代研”工藝在我國的推廣，立方氮化硼油石也開始推廣應(yīng)用，推動了我國精密內(nèi)孔加工工藝的發(fā)展。

（3）單層電鍍珩磨工具。

近年來，國外先進的珩磨機床廠商，如KADIA、DEGEN、SUNNEN等均提出采用電鍍工藝，制備單層超硬磨料珩磨工具（圖3）。單層電鍍珩磨工具精度高，尤其適用于高速珩磨加工。相較于傳統(tǒng)珩磨工具，電鍍珩磨工具接觸面積更大，材料去除率更高，同時磨粒出露高度大，更為鋒利，珩磨力更小，在難加工材料的高效精密珩磨加工中具有較大應(yīng)用潛力。

（4）有序排布釬焊珩磨工具。

釬焊CBN珩磨工具利用高溫釬焊過程的冶金作用，引起CBN磨粒、釬料及工具基體之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從根本上提高了珩磨工具對磨粒的把持強度，同時可依據(jù)加工條件優(yōu)化磨粒排布，實現(xiàn)磨粒負荷均勻，避免了大負荷珩磨加工中磨粒的非正常脫落，增加工具的耐用度，在難加工材料的高速高效珩磨加工中優(yōu)勢尤為顯著。蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)的Burkhard等采用有序排布釬焊CBN珩磨工具（圖4）對16MnCr5鋼進行珩磨加工，在加工質(zhì)量相同的情況下，釬焊珩磨工具的加工效率為電鍍珩磨工具的3倍，同時刀具耐用度為電鍍珩磨工具的10倍以上[22]。

圖3 KADIA公司生產(chǎn)的電鍍珩磨工具Fig.3 Electroplating honing tools of KADIA company

圖4 釬焊CBN珩磨工具Fig.4 Brazing CBN honing tools

難加工材料高效精密珩磨技術(shù)發(fā)展趨勢

高效率、高精度是機械加工永恒的追求，珩磨加工同樣如此。通過以上對難加工材料高效精密珩磨技術(shù)研究現(xiàn)狀的總結(jié)，不難看出目前難加工材料高效精密珩磨技術(shù)的發(fā)展趨勢已呈現(xiàn)出如下幾個重要特征：更高的珩磨加工速度、更大的珩磨加工壓力以及多種能量的復(fù)合。

針對上述新型珩磨工藝，需要與之配套的新型珩磨設(shè)備及珩磨工具，輔之以合適的珩磨工藝參數(shù)，方能取得高效精密珩磨加工的效果。盡管航空難加工材料孔的高效精密珩磨技術(shù)研究已取得巨大進展，珩磨技術(shù)在航空發(fā)動機精密孔制造中展示出巨大的應(yīng)用前景，但與之相匹配的機床、工具、工藝仍處于滯后水平，尤其是工藝數(shù)據(jù)的積累，遠未達到實際應(yīng)用的要求。這就需要相關(guān)的機床廠家、高校以及生產(chǎn)應(yīng)用單位開展交流與合作，共同推進高效珩磨技術(shù)在難加工材料孔精密加工中的應(yīng)用。

結(jié)束語

目前，我國正大力發(fā)展航空工業(yè)，尤其是航空發(fā)動機產(chǎn)業(yè)，這是我國航空發(fā)動機行業(yè)，特別是航空發(fā)動機制造業(yè)的一個重大機遇。難加工材料的高效精密珩磨技術(shù)必將成為航空發(fā)動機高效精密制造技術(shù)中的重要一環(huán)，推動航空發(fā)動機研制及生產(chǎn)水平的進步，極大促進我國先進航空發(fā)動機行業(yè)的發(fā)展。

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