光整加工

2024-09-26

光整加工（共7篇）

光整加工篇1

一、概述

公司从2014年3月开始, 交付的零件逐渐增多, 但各种质量问题也随之暴露出来。客户及兄弟单位反馈, 接收的零件外观不合格。针对外观不合格而返工的零件很多, 经统计分析, 交付零件的平均合格率仅为78.96%。零件的返工率逐月上升, 这不仅使公司浪费了大量的人力、物力和财力, 而且延长了生产时间, 影响了零件的交付进度, 给公司造成了不小的损失。更重要的是严重影响了公司的整体声誉。

二、现状调查及要因确定

公司针对零件平均合格率低的问题, 从已经交付及正在生产加工中的各种零件着手, 进行了现状调查。数据显示, 引起零件合格率低的主要问题是零件的外观不合格, 占总因素的81.4% (如图1所示) 。那么, 就零件的外观表面质量问题, 公司从多方面展开顾客满意度调查。结果主要表现为:零件表面有毛刺、飞边、棱边倒圆不均匀、粗糙度不符合要求、零件表面有磕碰伤、表面有刀痕、划痕等各种表面质量问题。将反馈的信息统计、归类并进行了二次分析 (如图2所示) , 我们从柏拉图中可以看出, 影响零件外观的主要问题是:手工棱边倒圆不均匀, 有毛刺飞边、刀痕划痕占总因素的93.8%。如果将此类问题全部解决, 则零件的表面质量, 即零件的合格率能提高到1-[ (1-78.96%) ×81.4%× (1-93.8%) ]=98.93%, 这就是我们应该达到的目标。

为了实现此目标, 全体成员针对棱边倒圆不均匀, 有毛刺、飞边、刀痕划痕等现象, 采用头脑风暴法, 细分影响零件外观的各种因素, 并一一列举:钳工加工经验不足、手工打磨锐边时不稳定、机械结合手工打磨有偏差、材料较硬不好倒圆、打磨设备稳定性差等等。将这些因素逐一分析, 到底是什么原因产生了这样的结果?为了找出最根本、最直接的原因, 我们从人员、设备、材料、方法上进行验证。

首先, 就加工经验不足, 按照分层法统计新、老员工加工零件表面质量的数据, 进行对比分析, 结果表明, 工作经验与零件外观合格率不存在相应关系。其次, 针对手工打磨、机械结合手工倒圆, 收集数据分析, 结果不同类型零件的表面质量存在很大差异, 出现倒角不均匀, 大的毛刺去除后, 还有细小的遗留。第三, 选取不同材质的多批零件, 使用打磨设备进行材质及设备稳定性的验证, 数据显示零件的外观质量合格, 没有区别。

通过对各末端因素的分析, 确认影响零件外观表面质量的主要原因是:手工打磨锐边时不稳定和机械结合手工打磨有偏差。

三、制定措施并实施

针对上述要因制定了相应的措施:更换打磨设备, 使用振动光饰机去除零件表面的毛刺、飞边, 刀痕划痕、棱边倒圆的问题。利用正交试验法对各种零件表面光整参数进行摸索。根据多种不同材质的零件, 选择不同设备, 不同磨料的种类, 不同的装料比例, 光整时间长短等因素综合试验后, 统计实验数据, 经过分析、对比, 最终针对不同零件分别选择了最佳光整参数, 形成了光整加工工艺参数选用说明书及典型零件光整工艺操作工步卡, 包括光整设备操作说明书和常用磨液磨料使用明细等具体内容。并确定了光整过程:设备准备磨料准备磨液准备零件光整前清洗零件装槽光整加工。零件通过光整加工, 改进前后的对比 (如图3所示) , 棱边倒圆不均匀、毛刺飞边、刀痕划痕等状况均得到了控制, 达到了我们的预期目标, 证明措施有效。

四、措施验证并固化

采用振动光饰机去除零件表面的毛刺飞边等各种状况后, 交付的零件外观光整、倒角圆滑转接, 解决了手工打磨不均匀的状态, 大大提高了零件的表面质量。从折线图 (如图4所示) 中可以看出, 后续零件的外观质量已经超出了我们的预期目标并保持良好状态。现交付的零件已满足了公司的装配需求, 达到了顾客满意。

通过改进, 将措施加以固化:

1形成了《光整加工工艺参数选用说明》标准。

2形成了光整设备操作说明书。

3典型零件光整工艺操作工步卡。

4常用磨液磨料使用明细。

零件表面光整加工, 具有重大的推广意义。现公司加工的零件正在逐步的推广中。

摘要：针对客户反馈, 已经交付的零件表面粗糙、有轻微划痕、细小毛刺、倒角不均匀等外观质量问题, 探究以振动光饰的机械方法代替手工打磨、抛修来解决零件的这些表面质量问题, 从而有效地提高了零件的外观合格率, 满足了客户需求。

关键词：毛刺,划痕,振动光饰

参考文献

[1]机械加工手册[M].北京:机械工业出版社, 1990.

[2]航空材料手册[M].北京:国防工业出版社, 1974.

光整在齿轮加工中的应用篇2

航空发动机是飞机的心脏, 其设计及加工质量的好坏对于发动机的性能有着十分重要的影响。齿轮是一种在机械行业中应用量大且广的基础性零件, 其表面质量的好坏对于机械产品的性能有着直接的影响, 齿轮表面的质量和齿轮的修形对于齿轮的使用质量的使用寿命都有着十分重要的影响, 对加工后的齿面进行光整加工, 是提高齿轮使用质量的有效途径, 从而更好地为我国的航空工业发展添砖加瓦。

1 航空发动机整体齿轮光整加工现状

齿轮是机械行业中应用较多的基础性零件, 其加工质量的好坏对于机械性能有着十分重要的影响, 其中齿轮的齿面质量和齿轮修形对齿轮的使用性能有着十分重要的意义, 为提高齿面质量需要对齿面进行光整加工从而提高齿轮质量。在我国航空发动机齿轮的光整加工仍然处于起步阶段, 与国外同行相比存在着较大的差距, 其主要变现为:齿轮的加工精度较低、齿面的粗糙度较高, 从而造成同型齿轮在使用时使用寿命较低、运动时所产生的噪音较高, 齿轮的承载能力较弱。总体来说, 在航空发动机齿轮的制造中, 齿轮制造的质量差距是多方面的, 不但表现在精度上, 齿轮表面质量以及加工工艺等方面都有着一定的差距。

国内外航空发动机整体齿轮表面光整加工现状:航空发动机齿轮表面的光洁度会对齿轮的使用性能造成极大的影响, 较高的齿轮表面粗糙度会使得齿轮的传动能力以及使用寿命都有着一定程度的提高。同时通过对齿轮进行大量的测试与研究表明, 航空发动齿轮主要依靠的是齿面的接触来实现机械力的传递, 在齿轮接触的过程中, 其齿轮表面都是粗糙的表面, 其在进行齿面的接触时都是依靠表面的轮廓尖峰之间先进行接触的, 或者是两个齿面之间进行犬牙交错, 齿与齿之间相互嵌入, 粗糙度较高的齿轮经过一段时间后的使用, 齿面经过长时间的接触将微观表面所产生的微观尖峰折断、压平, 从而使得粗糙的齿面变得平滑, 此时, 齿轮的精度已经发生较大的变化。因此, 在完成对于齿轮的加工后对齿轮进行后续的光整加工来提高齿轮表面的光洁度是十分必要的。齿轮表面的质量不但对精度会产生较大的影响, 同时对于齿轮的使用寿命等也会产生重要的影响。剃齿是我国在齿轮光整加工中采用较多的一种精度加工方法, 但是此种方法多适用于软齿面齿轮的加工, 且加工后齿面积屑瘤现象较为严重, 从而使得加工后的齿面精度较低。磨齿加工根据加工原理的不同可以分为成形磨和展成磨齿, 通过磨齿可以得到较高的加工精度, 但是对于齿面质量无法达到较高的要求。

2 光整加工技术的简介

零件表面的加工质量对于零件的使用性能、使用寿命等都有着极大的影响, 在机械零部件的加工过程中, 影响零部件加工质量的影响因素很多, 为此, 需要使得加工完成的工件表面达到要求的加工质量, 除了选用较为合理的加工方法和工艺参数外, 还可以对零件表面进行光整处理和去毛刺。

对零件表面进行加工的方法众多, 各种加工方法在得到所需要的尺寸和形状的同时也在工件表面形成一定的表面质量, 现今使用的保证零件表面质量的各种方法中, 有些是主要改善零件表面的几何特征, 如减小零件表面的粗糙度和去除毛刺、划痕等, 而有些加工方法则主要是着重改善表面的几何特征和力学性能。在航空发动机的加工过程中, 对于表面处理的要求越来越高, 需要在齿轮表面的光洁度上狠下功夫, 提高发动机的加工质量。

2.1 光整加工的技术含义

在进行零部件的加工过程中, 不论是采用切削还是锻造、冲压、焊接等方式都会在零部件的表面留下各种加工的痕迹以及缺陷, 如表面的凹凸不平、棱边缺陷、毛刺等, 以上这些都会对零部件的使用性能造成极大的影响。而零部件光整技术则主要是为了应对以加工对零件造成的不足, 提高零部件的表面加工质量为主要目的的加工技术。

2.2 光整加工技术的发展趋势

随着科技的进步以及加工精度的发展, 现今的加工制造已经向着精密和超精密、细微和超细微的方向发展, 为提高加工零部件的加工质量多采用以下方法对零部件表面进行光整处理:磁流体研磨、电解磨削、磁粒光整加工以及电化学机械光整加工等技术。同时随着材料技术的发展, 大量的新材料被应用于零部件的制造过程中, 研究和发展新的复合加工技术是提高工件质量的重要手段。从手工研磨、抛光发展到机械对零部件表面进行光整、非传统光整加工到复合光整加工这一发展过程, 光整加工技术正向着更为高效且良好的提高表面的加工质量的方向前进, 航空发动机中的齿轮在发动机中占据着重要的地位, 为解决齿轮表面加工质量所带来的问题需要做好齿轮表面的光整加工, 提高航空发动机的使用性能。

3 光整加工技术在航空发动机齿轮加工中的应用

通过对航空发动机齿轮进行光整加工, 以达到提高齿轮表面的加工质量, 提高航空发动机齿轮的使用性能的目的。现今在发达国家的航空发动机齿轮的光整加工中, 多使用的是磨粒磨削的方法进行齿轮表面的光整加工, 通过去除齿轮表面的毛刺以及光饰加工等。其中磨流根据形式的不同可以分为离心式和旋流式等, 其中旋流式加工被主要应用于轴齿轮和尺寸较大的齿轮, 对于离心式磨粒磨削的加工方式也多适用于大齿轮的加工, 而不适用于小齿轮的光整加工。

磨粒加工技术是上世纪70年代在美国发起起来的技术, 其使用的是一种具有粘性的、柔软性以及切削性的离心式介质在挤压力的作用下形成一个半固态、可流动的挤压状态, 使得离心式介质往复流过工件表面, 从而提高工件表面质量的一种方法。现今, 航空研究单位使用磨粒抛光技术较多, 其主要应用于小孔以及航空发动机齿轮表面光整, 提高工件的表面质量, 去除表面毛刺等。现今在我国的一些航空、航天单位都通过引进离心式加工设备来对工件表面进行加工。

离心式光整加工设备主要是由夹具、床身以及导流、分流装置等组成。其工作流程是磨粒流通过使用传动系统经过夹具上部的导流分流装置进入到整体齿轮由叶片及夹具所形成的叶珊空腔内, 完成磨粒光整加工的磨粒流通过导流装置回到储料箱中, 如此循环往复, 如有需要可以加快物料的循环速度, 提高工件表面的光整效果。

航空发动机齿轮的光整加工是机械加工的最后一道工序, 在提高工件表面加工质量的同时还需要提高其加工效率, 确保发动机制制造能够顺利进行。

4 结束语

航空发动机对于飞机的性能有着非常重要的影响, 其中齿轮是在航空发动机中应用较多的一种零部件, 由于航空发动中使用的是高速、重载的齿轮, 对于齿轮的使用性能和使用寿命有着较高的要求, 通过对齿轮进行光整加工可以有效地提升其性能, 通过对齿轮进行光整加工可以降低其表面的粗糙度, 从而使得使用寿命和使用性能都有着较大的提升。文章对齿轮表面光整加工中所进行的研究进行了分析介绍。

参考文献

[1]高航, 赵振, 等.航空叶轮叶片抛光技术的发展现状[J].中国光整加工技术学术会议, 2010, 2.

[2]姜澄宇.从国外民机重大研究计划看大型民机发展的重大关键技术[J].中国航空学会, 2007, 5.

光整加工篇3

关键词：磁流变光整加工,磁流变液,材料去除,去除模型,二维建模

0 引言

作为超精密加工领域中的一个重要部分,磁流变光整加工(magneto-rheological finishing,MRF)技术在20世纪90年代初得到了运用与发展[1]。MRF将电磁学和流体动力学理论相结合,是一种利用磁流变流体在磁场中的流变性发生剧变的特点进行加工的新兴技术,其加工效率较高,不易产生亚表面破坏层并能实现微机数控等优点已渐为人们所接受[2]。MRF利用磁流变液在磁场作用下形成的柔性“小磨头”对工件表面进行加工,特别适合非球面光学元件及其模具的超精密制造。传统的抛光过程中,减小磨粒与工件之间的法向力是降低表面粗糙度的关键;而在MRF中,磁流变液流过工件,在汇集间隙处产生剪切力而去除材料,从而使加工表面洁净、无刮伤。磁流变液中抛光粉对工件表面的切入量非常小,且易控制,其去除函数能利用光学干涉仪测量得到[3],因此MRF被认为是一种先进的、确定性的光学元件光整加工技术[4]。

超精密光学零部件的加工中,材料去除函数的建模与确定是进行确定性的MRF控制的重要基础。以往的研究重点考虑了一维方向的去除模型[3,4],难以准确地获得实际的材料去除函数,只能对材料的去除进行简单的估计。作为扩展研究,本文对二维方向上的材料去除进行了比较深入的分析与建模,最后以建立的去除模型为基础,对工件压入量和工件类型两种因素进行实验,将实验结果与模型进行比较与分析,从而对去除函数在理论与实验两方面进行研究。

1 MRF材料去除模型

1.1 MRF原理

MRF的基本加工原理如图1所示。加工过程中,在无磁场作用区域,磁流变液表现出良好的流体特性,当经过运动轮上方的高强度的磁场区域时,它的黏度会在非常短的时间内增加两个数量级以上,磁流变液中这些微米级大小的磁性粒子迅速沿磁力线方向排成链状结构而“固化”,同时磨料颗粒则被挤到链状结构的最上端而与工件表面紧密接触,成为具有黏塑性的Bingham介质[5]。这种具有黏塑性的磁流变液在与工件表面相接触的区域产生较大的剪切力,从而使工件表面材料被去除,也保持了工件表面的无损伤、凹痕或刮伤。磁流变液在离开磁场区域后又立刻恢复流动的特性。这种可逆、迅速、易控的特点为更好地控制磁流变液的性能提供方便。

(b)Y、Z方向的材料去除示意图

在此加工原理的基础上,建立如图1所示的直角坐标系,X轴的负方向为流体在运动轮上端的运动方向。假设工件为球面一部分,由于运动轮半径R0远大于加工区范围,可近似为平面处理。根据几何关系,可以得到工件面的加工区域内某点与运动轮最高点的切线之间的距离:

$\begin{array}{l} h (x, y) = h_{0} + R - \sqrt{R_{1}^{2} - x^{2} - y^{2}} \approx \\ h_{0} [1 + (x^{2} + y^{2}) / (2 R h_{0})] (1) \end{array}$

1/R=1/R0+1/R1

式中,R1为工件半径;h0为工件与运动轮间的最小间隙;h(x,y)为工件与运动轮的距离;x、y、z为工件上的抛光点在坐标系XYZ中的位置。

为了分析磁流变光整加工时在X、Y二维方向上的材料去除规律,假定抛光液的截面形状为图1所示的半椭圆形,其抛光液截面的长半轴与短半轴的长度分别为L与H,则可认为球面工件与半椭圆形磁流体相交的边界方程为

$\begin{array}{l} x^{2} + y^{2} + (z - h_{0} - R_{1})^{2} = R_{1}^{2} \\ \frac{y^{2}}{L^{2}} + \frac{z^{2}}{Η^{2}} = 1 \end{array}} (2)$

1.2 MRF去除模型

对于去除模型的研究,目前多数集中于一维的深度去除函数的研究,且很少考虑材料特性的影响。本文在考虑材料特性的基础上进行二维去除函数的分析与建模。根据通用的模型Preston方程[6],材料在二维方向上的去除率模型为[7]

$Q (x, y) = Κ \frac{τ (x, y) v (x, y)}{μ} = Κ p (x, y) v (x, y) (3)$

其中,Q(x,y)为工件表面上某加工点处单位时间内的去除高度,K为Preston系数,在特定工艺下为常数,μ为摩擦因数,τ(x, y)为工件表面剪切力,p(x,y)为工件表面上某加工点所受的流体压力,v(x,y)为工件表面与磨粒的相对速度。当H远远小于运动轮的半径R0时,v(x,y)可近似为运动轮工件上某加工点与运动轮的相对速度u。MRF中,较低的法向力使磨粒与工件表面接触,磁流体中磨粒的剪切力则使工件材料得以去除。

1.2.1 Preston修正系数

去除模型中的Preston系数K比较复杂,它与磁流变液的化学成分、磨粒类型(大小,形状,硬度)、加工工件等有关。Lambropoulos等[7]认为,在MRF过程中,材料去除率与E5/4/(KcH $_{0}^{2}$ )(H0为努氏硬度,Kc为断裂韧度,E为弹性模量)的变化成一定的比例。因此,Preston系数可表示为[7]

K=K1[E5/4/(KcH $_{0}^{2}$ )] (4)

另外,一些文献[3,4,5,6,7,8]在分析与计算p(x,y)时,将其分解成流体压力pd、磁化压力pm和重压力pg等进行计算,然后线性叠加。实际上,在线圈中通入一定的电流I,即有磁场产生,磁场中的磁流变液的性质也会发生突变,在外观上可以看作其黏度的增强,即在具有磁场梯度的加工区域的流体黏度η与外在的电流强度I有一定的函数关系,设

η=K2η0ln(e+I) (5)

式中,η0为初始流体黏度;I为电流强度。

将系数K1、K2合并为一个新的系数,即有Preston修正系数K′:

K′=K1K2 (6)

1.2.2 流体压力模型

根据雷诺方程及Reynolds边界条件[8],并对其进行扩充,假设压力p(x,y)在Y方向上的变化率一定,流体压力p(x,y)在X、Y二维方向上的分布为

$\frac{d p (x, y)}{d x} = 12 η u \frac{h (x, y) - h^{*} (x, y)}{h (x, y)^{3}} (7)$

式中,h*(x,y)为当dp(x,y)/dx=0时的工件到运动轮的距离。

令

$x_{1} = \sqrt{x^{2} + y^{2}} (8)$

$\tan γ_{1} = x_{1} / \sqrt{2 R h_{0}} (9)$

将式(8)、式(9)代入式(7)并化简得流体压力模型:

$p (x, y) = \frac{12 η u}{h_{0}^{2}} (\int \cos^{4} γ_{1} d x - \int \frac{\cos^{6} γ_{1}}{\cos^{2} γ_{1}^{*}} d x) + C (10)$

式中,C为积分常数;γ*1为当dp(x,y)/dx=0时的一个确定值。

对Reynolds边界条件[8]进行扩充:

(1)当x→-∞且y=0时,有p(x,y)=0;

(2)当x=x*且y=0时,有p(x,y)=0。

将条件(1)、条件(2)代入式(10)并整理可求得

$\begin{array}{l} γ_{1}^{*} = 25.4138 ° \\ C = 0.388 129 \frac{12 η u}{h_{0}^{2}} \frac{π}{2} \sqrt{\frac{R_{1} h_{0}}{2}} \end{array}$

将γ*1与C代入式(10)即可得到流体压力在X、Y方向上的二维分布,如图2所示。

1.2.3 MRF的二维去除模型

将式(10)、式(6)代入式(3),可得到在X、Y方向上某一点的材料去除率:

$\begin{array}{l} Q (x, y) = Κ [\frac{E^{5 / 4}}{Κ_{c} Η_{0}^{2}} η_{0} \ln (e + Ι)] \frac{12 u^{2}}{h_{0}^{2}} \cdot \\ [(\int \cos^{4} γ_{1} d x - \int \frac{\cos^{6} γ_{1}}{\cos^{2} γ_{1}^{*}} d x) + 0.388 129 \frac{π}{2} \sqrt{\frac{R_{1} h_{0}}{2}}] (11) \end{array}$

其模拟结果如图3所示。将式(11)在式(2)的去除面积上进行积分,得到该材料的体积去除函数:

Rv(x,y)=2∫ $_{0}^{X}$ ∫ $_{0}^{Y}$ Q(x,y)dxdy (12)

由式(2)可求得边界在X方向的极值 $X = \sqrt{R_{1}^{2} - (Η - h_{0} - R)^{2}}$ ,同时式(12)中的边界Y也可以由式(2)表示为X的函数表达式。

作为模拟结果一例,考虑使用BK7材料,H=1mm,L=1.5mm,I=12A,工件曲率半径为65.66mm,系数K′为4.4836×10-12,其他实验参数见表1。用上述模型及相关的数学软件,可以求得体积去除率为0.0416mm3/min。该实验条件下,得到材料去除率为0.0365mm3/min,仿真结果与实验结果相近。

2 材料去除实验

为了探讨建立的材料去除的数学模型,并进一步研究相关因素对MRF的材料去除影响规律,本文在理论分析的基础上,进行了一系列MRF加工的基础实验。所用的实验平台是高精度的抛光机床,图4为MRF实验外观图。根据模型中的参数进行分组实验,通过加工实验点,对加工点利用光学干涉仪进行检测。根据所得的数据分析光整加工中压入量、材料类型等参数对去除率的影响规律,并与理论模型的计算结果进行比较与分析。

2.1 压入深度对去除率的影响

从图1可知压入深度Δ=H-h0,当运动轮的压入深度Δ增加时,最小间隙h0减小,也即加工区域的汇聚间隙h(x,y)减小。因此工件表面处的流体压力和磁场强度增加,这使得与工件接触的磁流变液的剪应力急剧增加,导致材料的去除量随之急剧增大。图5表示了压入深度对材料去除率的影响关系。相关实验参数如下:材料为SiC,修正系数K′=4.7136×10-12,初始黏度为41mPa·s,高度为0.9mm。压入时间为20s,其他参数见表1。图5的模拟结果显示了材料去除率Q(用单位时间内的最大去除高度来衡量)受压入深度的影响不是很明显,它主要与修正Preston系数影响有关,因为此系数是一个通过大量的相同材料不同实验条件的实验平均值。

2.2 工件材料类型对去除率的影响

由于工件表面硬度与抛光粉作用的方式存在较大差异,MRF对不同材料的加工效果是不相同的,这些因素主要包含在修正系数K′中。实验中分别对SiC、BK7玻璃和Si试件进行抛光加工,根据实验结果来分析材料特性对材料去除的影响情况。图6所示为工件材料类型对材料去除的影响情况。材料的去除率随其E5/4/(KcH $_{0}^{2}$ )值的增大而增大。实验参数:材料为Si,修正系数K′为2.576×10-12,深度为0.7mm,高度为0.9mm。初始黏度为38mPa·s,其他相关参数见表1。

3 结论

本文针对MRF关键技术中的去除模型进行了探讨。根据Preston公式、Reynolds方程及其边界条件,推导了二维方向上的材料去除模型,并对模型进行了分析。通过工艺实验分析了工件压入量、工件材料特性等参数对MRF的材料去除率的影响,并将实验结果与建立的材料去除模型的结果进行了比较以验证该模型。该二维模型的建立与工艺实验为光学元件确定性的超精密加工提供了重要的理论与实验基础。

参考文献

[1]Prokhorov I V,Kordonski WI.New High PrecisionMagnetorheological Instruments-based Method ofPolishing Optics[C]//Optical Fabrication and Tes-ting,24,OSA Technical Digest Series.Washington,DC:Optical Society of America,1992:135-136.

[2]张峰,余景池,张学军,等.磁流变抛光技术[J].光学精密工程,1999,7(5):1-8.

[3]康桂文,张飞虎,董申.磁流变技术研究及其在光学加工中的应用[J].光学技术,2004,30(3):354-356.

[4]Kordonski WI,Jacobs S D.Magnetorheological Fin-ishing[J].International Journal of Modern PhysicsB,1996,10(23/24):2837-2848.

[5]刘大有,徐胜利,章书成,等.Bingham流体阵体流动立面二维计算及分析:阵流速度,形态和床面阻力[J].科学通报,2003,48(9):981-987.

[6]Preston F W.Glass Technology[J].Journal of theSociety of Glass Technology,1927,11:277-281.

[7]Lambropoulos J,Yang F,Jacobs D.Toward a Me-chanical Mechanismfor Material Removal in Magne-torheological Finishing Machine for Flats,Convex,and Concave Surfaces[C]//Optical Fabrication andTesting Workshop,7,OSA Technical Digest Series.Washington,DC:Optical Society of America,1996:146-149.

发动机零部件的光整加工篇4

发动机是各种汽车、工程机械、农机等的主要动力源, 不断提高发动机整机性能的研究与实践是一个永恒的主题。其中, 发动机摩擦副零件的表面质量, 是影响发动机整机性能的重要因素之一。在传统制造水平相对较低的情况下, 大量生产的摩擦副零件的一些技术要求如去毛刺、棱边倒圆等形同虚设, 对表面加工纹理、表面物理力学、化学、光学性能、表面层组织等缺乏认识和实现手段, 改善发动机整机性能的研究集中表现在改进发动机局部结构及改变工作过程的控制方面。随着特种制造工艺的不断发展, 特别是旨在提高工件表面质量的各种加工方法、加工技术——光整加工技术在长期的实践应用中已得到证实。针对发动机摩擦副零件的具体结构和表面特性要求, 在原制造工艺的基础上全面推广应用光整加工工艺, 对改善发动机整机性能, 实现降低噪声、减少油耗及改善机油清洁度等十分有效。

光整加工分类及特点

光整加工按主要功能可分为:以降低工件表面粗糙度值为主要目的的光整加工;以改善工件表面物理力学性能为主要目的的光整加工;以去除毛刺飞边、棱边倒圆等为主要目的的光整加工。

进行光整加工主要是为了提高零件的表面质量。它具有以下特点:

(1) 光整加工的加工余量小, 原则上只是前道精磨工序公差带宽度的几分之一。一般情况下, 只能改善表面质量 (减小表面粗糙度值, 消除划痕、裂纹和毛刺等) , 不影响加工精度;可将表面粗糙度等级提高一级左右。在不改变产品原有尺寸及配合精度的前提下, 彻底去除产品表面的毛刺、飞边、棱边倒圆、锐边钝化等。

(2) 光整加工所用机床设备不需要很精确的成形运动, 但磨具与工件之间的相对运动应尽量复杂。

(3) 光整加工时, 磨具相对于工件的定位基准没有确定的位置, 一般不能修正加工表面的形状和位置误差, 其精度要靠前道精磨工序来保证。

(4) 改善工件表面层应力状态, 形成抗疲劳破坏的均匀压应力值 (一般比原值增大50%以上) 。

(5) 改善工件表面层金相组织状态, 提高表面显微硬度 (提高6%~20%) , 形成一定深度的耐磨损、抗疲劳的致密金属层, 深度一般提高四倍以上。

(6) 提高工件清洁度, 完成传动件的初期磨损, 改善整机部分性能指标, 缩短整机磨合期40%以上。

(7) 降低加工成本, 减轻工人劳动强度, 提高生产效率, 无污染, 便于机械化和自动化生产。

发动机零部件的光整加工

曲轴、凸轮轴摩擦副零件的表面质量是影响发动机整机性能的重要因素之一。由于曲轴等产品工作时需承受较大而复杂的冲击载荷, 对疲劳强度有较高要求, 对产品的轴颈表面粗糙度要求较严格, 因此必须进行光整加工或超精研磨才能满足这些要求 (见图1) 。

1. 光整加工的选用原则

光整加工主要是根据被加工零件的结构形状、尺寸大小及光整要求选择或确定设备形式、设备规格、工艺用料、工艺参数等内容。由于公司主要生产长度在1585m m、回转半径在200m m以下的曲轴、凸轮轴产品, 曲轴材料选用中碳合金钢, 凸轮轴材料选用高碳钢, 因此通过与光整机厂家的沟通, 选择了W1600卧式自由磨具光整设备 (见图2) 。

2. 卧式光整机的工作原理

工件 (如曲轴或凸轮轴) 水平放置在主轴和顶尖 (标准莫氏5号固定顶尖) 之间, 由升降机构带动, 插入料箱磨料中, 主轴带动产品旋转 (见图3) 。料箱带动磨料、磨液 (水溶液) 作线性往复运动, 从而使磨料与产品表面产生挤压、划擦等, 实现对产品的微切削高效加工。而且通过回转和往复运动不同的速度配比, 使不同形状的产品获得最佳的光整效果。

3. 光整加工的前期准备

(1) 从光整加工的特点“在不改变产品原有尺寸及配合精度的前提下, 彻底去除产品表面的毛刺、飞边、棱边倒圆、锐边钝化等”可知, 在光整加工前的精磨工序, 必须保证产品的尺寸精度、加工表面的形状和位置精度达到最终图样的要求。

(2) 从光整加工的特点“提高表面粗糙度等级一级左右”可知, 在光整加工前的精磨工序, 必须保证产品的表面粗糙度等级只能比最终图样的表面粗糙度值要求低一级。如:对于一种图样表面粗糙度值要求为Ra=0.089μm、材质为高碳钢的凸轮轴, 在精磨工序, 应在保证产品不出现磨削裂纹及烧伤的前提条件下, 保证表面粗糙度值达到Ra=0.13~0.15μm左右最好, 这样不但能在光整时保证产品的表面粗糙度要求, 而且能提高光整的效率。

(3) 所有要光整加工的产品在光整前必须要进行清洗。最好采用超声波清洗, 保证产品表面清洁, 尤其是表面不能存留油类 (机油、煤油等) 物质。油类物质会在磨液、磨料微粉及金属屑的混合作用下形成油腻, 附着在磨料、工件的表面, 污染工件及磨料, 破坏磨液清洗上光的作用, 严重降低光整加工的效率, 因此光整前产品的清洗非常重要。

4. 附属设施、材料及工装

(1) 须有超声波清洗机。

(2) 须有循环水处理设施水在光整加工的过程中起到重要作用, 体现在几个方面:一是在光整加工中被磨削下来的金属毛刺、工件上的附着物及磨料自磨脱落的微粉等物质, 都是由水将其带走;二是作为载体使磨液在产品表面发生作用, 达到“上光”、“防锈”、“清洗”的目的;三是降低磨料与产品之间的刻划和摩擦力度, 避免划伤产品表面所造成的产品表面质量下降。

(3) 须有污水处理系统污水处理主要有两种方式, 一是利用磁辊吸附光整下来的金属微粒;二是利用无纺布过滤其他微粒物质。

(4) 磨料的选择磨料由一种具有黏弹性、柔软性和切割性的半固态载体和一定量磨砂拌合而成。不同载体的黏度、磨砂种类、磨粒大小, 可以产生不同的效果。常用磨料类型有碳化硅、立方氮化硼、氧化铝和金刚砂等。应根据光整设备的种类、需光整的产品情况及所要求达到的效果选择磨料的规格及型号。根据所选的W1600卧式自由磨具光整设备, 高碳钢材质的凸轮轴成品表面粗糙度值Ra=0.089μm的要求, 通过与光整设备制造厂的多次沟通, 选择了磨料直径为3m m的微粉棕刚玉球形磨料, 通过光整加工后的检测, 表面粗糙度值可达到Ra=0.07μm左右, 可保证凸轮轴产品图样的要求。

选择磨料必须注意:所选磨料的直径不应与产品上孔的尺寸太接近, 以免光整时孔被堵塞, 难以清理。如果实在不能避免, 可将合适的开口销插入孔中以便于清理。如:有一种凸轮轴, 在径向有一个直径为3.2m m孔, 由于受磨料规格的限制, 不得不选用直径为3m m的微粉棕刚玉球形磨料, 为此, 选择了插入开口销的方法。必须按照光整设备使用手册的要求加足磨料, W1600卧式光整设备要求一次装入磨料高度距料箱口100mm左右。

(5) 研磨液的选择通过对研磨液H Y F和D X—148的比较, 发现研磨液H Y F存在易发臭的缺点, 因此目前选用的研磨液是D X—148多效切削液。

该研磨液具有良好的润滑、冷却、防锈、清洗等功能, 优于常用的皂化油、苏打水, 具有以下特点:一是该型号的研磨液特别适用于曲轴、凸轮轴的加工, 使用浓度为5%~8%;二是可免除工序间防锈5~7天;三是延长刀具的使用寿命, 降低产品的表面粗糙度值;四是可在 (300~500) ×10-5的硬水地区使用;五是显著降低切削区域温度100℃以上;六是操作方便、使用安全、液体透明, 易于观察产品;七是由于不含矿物油、低污染等, 完全符合G B3551-1983工业废水排放标准。

(6) 对工装的要求W1600卧式光整设备提供的联接形式为两顶, 可根据产品的连接端情况配置工装。

5. 光整加工的后期处理

(1) 磨料的分选分选方法有手工筛选、机械筛选、振动筛选、手工电磁分选和传送带式磁力分选等。根据公司的实际状况, 选用机械筛选实现对磨料的分选。

(2) 及时更换或净化循环水更换周期根据所加工产品的材质、加工产品的数量、加工产品的原有表面质量等而定。换水时应同时加入新的磨削液;当出现以下特征时需换水:光整产品的表面质量开始下降或水的颜色发黑并且光整后的水中无白色泡沫。

(3) 磨料与工件的清洗由于磨料微粉与工件的金属微粉混合作用会形成油腻, 附着在磨料及工件的表面, 污染工件及磨料, 因此在光整加工后工件应及时进行清洗, 磨料应根据实际情况进行定期清洗。

(4) 脱水防锈经工艺试验发现, 工件经光整加工后表面光洁铮亮, 其表层的活跃金属分子赤裸暴露在空气中会很快氧化变黑, 易生锈, 因此工件的脱水防锈是非常必要的。

6. 光整加工与超精研的对比

(1) 光整加工的设备通用性较好, 如W1600光整设备不但可以用于曲轴的光整加工, 而且也可以用于凸轮轴的光整加工;而一种规格的超精研设备只能精研一种规格的曲轴或凸轮轴, 专用性较强。

(2) 光整加工的磨料通用性较好, 如直径为3m m的微粉棕刚玉球形磨料, 不但可以用于曲轴的光整加工, 而且也可以用于凸轮轴的光整加工。

(3) 光整加工单道工序的成本费用相对较低, 由于光整加工所用磨料破损后可采用筛选、清洗的方法重复使用, 因此磨料的使用成本较低;超精研设备使用的是进口花边砂带, 只能根据产品的具体尺寸决定进口花边砂带的尺寸规格, 并且只能使用一次, 因而使用成本较高。

(4) 光整加工前后需有清洗、防锈工序, 因此增加了产品的流程。

(5) 光整加工的效率不如超精研高, 只有超精研加工的1/3左右。

结语

光整加工和超精研加工都能使曲轴和凸轮轴轴颈表面获得较小的表面粗糙度值和表面压应力, 提高曲轴和凸轮轴的抗疲劳能力, 可根据现有设备条件、产品的精度及表面质量要求、生产成本等选择合适的加工方法, 以满足顾客的要求。建议在多品种、小批量的生产模式下, 优先选用光整加工技术实现发动机零部件曲轴、凸轮轴的加工。

光整加工篇5

关键词：整体飞机叶轮,粗糙度,光整加工,磨料流

0 引言

发动机的整体叶轮的光整加工,国内处于刚刚起步的阶段。在国内飞机航空发动机的摇篮——沈阳黎明发动机公司调研过程中发现,目前国家最高水平的航空发动机的抛光还处于手工抛光阶段。所以对于整体发动机叶轮的光整加工,是一个急于开拓的新课题。

航空发动机整体叶轮的光整加工,存在的问题主要包括:1) 由于整体飞机叶轮较大,而且表面粗糙度要求高,所以没有专用的光整加工设备来加工整体叶轮表面。2) 在加工机理上,国内没有现成的空气动力学模型,进行分析整体飞机叶轮表面粗糙度与空气动力学的关系和设计理论。3) 在加工方法上,没有完整的加工方法,只是停留在手工抛光阶段。这不但使加工出来的叶轮表面纹理参差不齐,而且在使用过程中容易产生表面缺陷和裂纹。

在已有的叶轮加工方法中,有些企业也研制了一些叶轮的加工方法,但主要停留在小的航空叶轮,主要方法包括振动抛光和滚筒抛光。不过对于尺寸巨大的整体发动机叶轮,振动抛光和滚动抛光都没办法使表面粗糙度达到要求,而且操作起来也极其不方便。本文对整体飞机叶轮的加工方法和表面机理进行进一步的探讨,对于开展这方面的研究可以起到一个抛砖引玉的作用,进而逐步建立起,飞机整体叶轮的光整加工体系。对于国家的航空机械制造业,有一些启发。

航空发动机叶轮表面粗糙度不但对加工提出了很高的要求,在空气动力学的研究机理上也有着重要的影响,所以有必要先探讨一下目前国内外整体飞机叶轮表面粗糙度的研究现状。

1 国内外整体飞机叶轮表面粗糙度的现状

从空气动力学的角度,具有渐变表面粗糙度和符合空气动力学要求的表面微观纹理结构的叶轮具有更好的气动性能,并将能够进一步提高压气机的效率。并且大量的研究结果表明:在同一粗糙度量级下,表面具有横向、斜向以及流线型不同纹理的叶轮对气流流动的影响存在一定差异,其转捩雷诺数差别较大;企业的调研情况也证明了此种观点,目前国内航空发动机整体飞机叶轮的生产商,主要集中在几个军工企业中,所以大部分都是涉密内容。通过中航工业下属的黎明发动机厂调研中发现,整体叶轮表面粗糙度和国外相比还有很大的差距,在整体飞机叶轮中,其加工部位的粗糙度各不相同,在叶轮根部,其粗糙度值为0.4;在叶轮流道部位,其粗糙度为0.8;而在叶片身部,其粗糙度值为0.4;并且叶轮流道的过渡曲线采用圆弧光滑过渡。对叶轮的加工纹理也有特殊要求,在进气边和排气边的6 cm范围内不允许有横向加工痕迹,但可以有纵向加工痕迹。因为横向纹理在使用过程中容易产生断裂和表面缺陷,而纵向裂纹则大大增加了飞机使用过程中叶轮的安全性和可靠性。在加工方法中,目前黎明发动机厂还采用手动抛光来作为叶轮表面的终加工工序。采用手持砂带或小的砂轮机来抛光大型的叶轮表面。虽然也有过精密抛光这方面加工方法改进的设想,但由于加工条件和设备的限制,还没有具体的方案,但也提出了精密电解抛光,振动光饰等想法。

根据英国Rolls-Royce公司的研究数据表明:发动机转子叶片的加工精度由60 μm提高到12 μm,表面粗糙度由Ra 0.5 μm减小到Ra 0.2 μm,则发动机的压缩效率将从89%提升到94%,提高5个百分点[1]。如果叶片表面的粗糙度值降为现有值的10%,则叶片的热导率提高1倍.国产涡扇发动机的推重比相对国外同类型先进发动机要低30%,其中一个重要原因对是气动性能约束的整体叶轮微观渐变形貌加工极为困难,品质至少低一个等级,最低表面粗糙度只有0.8 μm,严重影响了压缩效率的提高。

所以说新的加工方法,首先应该建立在提高粗糙度等级的基础上。

2 新的加工方法

目前磨粒流加工工艺现已在美国以及其他一些西方国家的航空、航天领域得到了广泛的应用,解决了精密复杂零件在实际使用中出现的低寿命和低疲劳强度等技术关键,所以针对于整体飞机叶轮,也可以进行这方面的探讨。

磨粒流加工(abrasive flow machining,AFM),是美国于20世纪70年代发展起来的一种表面光整加工新工艺。它是使含有磨粒的、具有粘弹性、柔软性和切削性的磨流介质在挤压力作用下形成一个半固态的、可流动的“挤压块”,高速往复流过工件欲加工表面,产生磨削作用而去除金属的一种加工方法[2]。

磨料流加工最初在1983年进入国内,开始主要是作为进口成套设备的配套设备引进的。其后太原理工大学等单位对这一新加工工艺进行了系统的研究,成功开发了磨料流机床,流体磨料及完整的加工工艺。目前,航空部门应用磨粒流抛光技术较多,主要用于小孔及航空发动机叶片的表面光整、去毛刺等。如:我国航空625所及西安的430厂等都有引进的美国磨粒流加工设备,解决航空发动机零件表面光整问题。首都航天机械公司针对几种典型的航天零件进行了磨粒流加工,对磨粒流加工工艺方法进行了探索。沈阳鼓风机有限公司,根据窄流道闭式叶轮的结构特点, 通过实验采用AFM方法对叶轮流道进行抛光。经过磨粒流抛光后, 叶轮流道的表面粗糙度可达到Ra1.4～0.45 μm,抛光后压缩机的效率可提高1%左右。在检测叶轮流道内部表面粗糙度时,只要检测叶轮出气端的表面粗糙度,如果能够符合要求,则就可以认为整个叶轮抛光后的流道表面粗糙度是合格的。采用磨粒流加工方法对窄流道叶轮流道内部进行抛光不仅能满足其表面粗糙度要求,而且抛光的效率高,表面品质好。从而解决了高压小流量离心压缩机制造中的叶轮抛光难题。

磨粒流加工工艺现已在美国以及其他一些西方国家的航空、航天领域得到了广泛的应用,解决了精密复杂零件在实际使用中出现的低寿命和低疲劳强度等技术关键。如:美国EXTRUDEHONE挤压研磨公司运用磨料流加工方法解决了飞机发动机叶片风翼以及其他冷通道的流动阻力协调问题,提高了发动机的性能,同时也挽救了已报废的零件。另如:美国DYNATICS公司为美国某航天发动机数控铣削加工后的整体叶轮表面做磨粒流加工,解决了该叶轮高速旋转时因应力集中而产生的断裂问题。 V. K. Jain等人通过试验对磨粒流抛光技术的加工机理也进行了详细的分析,试验台结构如图1,通过改变磨粒流加工的工艺参数来分析不同参数对磨粒流加工结果的影响,针对不同材料得到其最佳的加工参数范围,并建立了相应的加工模型。

针对所研究的结果,设计此磨料流加工设备如图2所示,其主要结构包括,夹具,床身,分流,导流装置,及旋转主轴系统。当挤压磨料流通过传动系统提供磨料进入上进料口后,经过夹具体上部导流分流装置进入到整体叶轮由叶片及夹具体形成的叶珊空腔内,然后经过夹具体下部的导流及分流装置通过出料口流回料箱,同时在该装置内部通过电动机带动主轴进行旋转,使磨抛更加均匀,并且可以增加工件表面的速度,而速度越大,抛光效果越好,应该是以往普通磨料流设备的一种改进。

1—进料口;2—夹具体;3—分流板;4—导流盘; 5—旋转主轴;6—工件;7—出料口;

3 结论与展望

航空发动机整体叶轮的抛光,应该属于机械加工的终加工工序,对于此课题应该进行高速动力传递功能表面微型貌特征的数字化建模与精确创成研究,对其的研究,能

够揭示航空动力传递功能表面微型貌的特征与与表层性态的生成机制,进而建立起性能驱动的航空整体叶轮精确创成表面的参数检测与性能综合评价体系,提出适应特定表面微形貌和表层性态要求的数字化精密磨削与抛光方法,为高性能航空动力传递零部件的精密加工提供先进的理论与技术支撑。

参考文献

[1]高航,赵振,孙玉文.航空叶轮叶片抛光技术的发展现状[J].中国(国际)光整加工技术学术会议,ICSFT2010.

光整加工篇6

机械零部件的表面质量对其使用性能有显著的影响,对一些在高温、高压、高速或腐蚀环境下长期工作的零件,既要求有较高的尺寸精度,又有较好的表面质量,对这类零件的精加工,目前常采用的加工方法有超精磨削、珩磨或研磨、机械抛光和电抛光等。但实践证明这些加工方法,要么满足了加工质量的要求,但效率太低,不能满足批量生产的要求,要么在进行提高表面质量的同时,由于零件材料自身的特点,而产生不同程度的表面烧蚀现象。鉴于此,笔者利用电化学复合光整加工的方法,进行实验研究,取得较好的效果。

1 基本原理

电化学机械复合光整加工是电化学加工和机械刮削作用相结合的复合加工技术,其加工的基本原理是以电化学溶解为基础,靠电化学作用除去零件表面的金属,而利用机械作用除去零件表面的在电化学反应中产生的钝化膜,从而加速表面金属的去除。

复合光整加工与普通机械珩磨之间最明显的区别是增加了直流电解系统。其结构原理示意图如图1所示,工件、电解液、电极、电源构成电流通路,形成一个电化学作用体系。加工过程时,工件接电源的阳极并绕轴线回转,工件一侧设有阴极,阴极与工件之间保持一定的间隙,其间通以适当的电解液,机械珩磨工具头上的磨条以一定的压力与工件相接触。当接通直流电源后,在一定的电流密度下,工件表面发生阳极溶解并逐渐形成钝化膜,这种钝化膜阻碍了阳极的继续溶解,称为钝化作用。而机械珩磨就起到了刮除氧化膜的作用,与电解加工的区别是,表面氧化膜的去除不是靠活性离子或强力冲刷,而是通过专门设计的机械工具头的刮除作用实现的。

因工件表面上留有机械切削加工造成的尖峰状突起,当工件与工具接通电源以后,使微观电场分布成非均匀性,尖端处电场最强,又由于尖端处与工件的距离最近,所以更加剧了电场分布得不均匀性,这使得尖端处电流密度较大,根据电解加工理论,电解过程中溶解速度与电流密度成正比,所以尖端处电化学反应速度较快,金属溶解速度也较快。在凹谷处,电化学反应速度则相对较慢,所以溶解也就相对较慢,这就使得在工件的整个表面上,溶解速度呈现出不均匀性,尖端处的氧化膜很快被机械复合珩磨工具头(以下简称工具头)刮除,从而使高点处得到活化,高点处从而露出新的金属表面继续受到电化学溶解、成膜、刮除的作用,使得该部位的材料被不断的去除,而表面的微观低点或凹陷部位则由于电解溶解的缓慢和氧化膜不能被及时刮除而受到保护,这一过程的连续进行,使得工件的表面得以迅速整平。如图2所示。

2 加工装置设计

若工件为轴类零件,光整加工设备可采用夹心式机械复合光整工具头如图3所示。整个装置主要由机床、直流电源、工作液循环系统和计算机控制系统等四部分组成。

为降低成本,增加实用性,机床由一台精密CM6140×1500车床进行数控改造而成,进给运动由反应式步进电机驱动,以电化学机械复合工具头(带有测力装置和数显表)取代小刀架,将原主轴改造为带有集流装置、与床身绝缘隔离的复式主轴。主轴正反转、液体泵、直流电源的启动和停止,以及工具头运动、转向等均由计算机控制,整个过程实现自动化加工。

2.1 机床改造

将夹心式电化学机械光整工具头取代小刀架,安装于小拖板上,它可同时完成电化学作用和机械珩磨作用。

工作中,绕轴线回转的工件接直流电源正极,复合工具头上的阴极与直流电源负极相接,通电后,两者之间形成一电化学反应区,调节直流电源输出电压可以控制阴极工作表面的平均电流密度,进而控制电化学反应速度。阴极用黄铜制造,上面开有电解液喷孔,通过电解液喷孔将钝性电解液喷入加工区,从加工区出来的电解液流入水槽,经沉淀过滤后,循环使用。阴极上下两边是镶有用于机械珩磨的软磨条,它由高温氧化铝(Al2O3)或碳化硅(SiC)磨料使用陶瓷结合剂经高温烧结而成。磨条硬度较低,使其略带弹性,易于使磨条与工件接触均匀,另外结合剂的粘度较低,磨粒易于脱落,磨条自锐性能好。光整加工时,在弹簧力的作用下,软磨条以适当的压力压在工件表面上,作用力大小的监测是由弹性元件、位移传感器、数显表等组成的测力系统完成的。

为避免工作过程中整机带电,以自行研制的复式主轴取代原机床主轴,实现了带电工件与床身的绝缘隔离。加工过程中,车床主轴上的拨盘带动工件做匀速回转运动,通过集流装置使工件与直流电源正极相连。

为操作简便,提高加工效率,将进给运动改为步进电机驱动,以便于计算机控制。综合考虑性价比,决定采用带有齿轮减速器的反应式步进电机,减速器输出轴与丝杠间采用联轴器连接。

2.2 直流电源

直流电源的作用是为电化学反应提供电能,目前一般采用硅整流设备,因为性能非常可靠安全。考虑到工件材质不同、电化学工作液不同,所需的工作电压也不同,电源输出电压设定在0~24V范围内连续可调。考虑到工件批量或大批量生产,为保证直流电源能够长时间、高负荷连续运行,采取了循环水连续冷却方式。

2.3 工作液及循环系统

电化学工作液成分、质量、份数决定了电化学溶解速度及钝化膜的厚度、强度、形成速度等,为保证只有工件表面微观高点处的金属发生电化学溶解,微观低点处的金属受到钝化膜保护,在阳极电化学溶解的同时,必须快速形成钝化膜。经大量的实验研究,确定电化学工作液采用以NaNO3为主、添加少量致钝剂的钝性工作液,获得了令人满意的加工质量和加工效率,同时也防止了工作液对于加工设备的腐蚀。应用于45#优质碳素结构钢的电化学工作液配比关系质量百分比为:NaNO3:18%、NaNO2:2%、H2O:80%。

工作液循环系统由耐蚀泵、节流元件、水槽、防溅罩等组成。耐蚀泵提供电化学工作液循环动力,其额定流量和扬程根据工具头尺寸而定。节流元件用于调节工作液压力、流量,以满足不同情况的需要。水槽有沉淀槽和储存槽两部分组成,两槽互通,中间用过滤网隔开,由加工区域流回的工作液首先流入沉淀槽,Fe(OH)3在此沉淀分离,工作液流入储存槽,供循环使用。防溅罩用在加工区域,防止工作液因工件旋转而四处飞溅。

2.4 计算机控制系统

主轴正反转,液体泵、直流电源的启动和停止,以及整个加工过程中的工具头运动速度、位置、转向等均由计算机统一控制,本系统选用南京江南机床数控工程公司生产的JN~15T型控制系统,该系统控制功能强,有两路用于步进电机的脉冲输出,一路用于电动刀架的控制,以及用于各类电器启停的开关量输出。JN~15T型控制系统自身带有功率放大器,可以直接驱动步进电机,但开关量输出仅为24V直流脉冲信号,需要通过继电器、交流接触器等完成各类电器的控制,使整个加工过程实现了自动化加工。

3 实验研究与分析

运用本文设计的电化学机械光整加工设备对用4 5#钢制成的活塞杆进行了光整加工,利用TALYSURF-6型轮廓仪对其表面微观几何形貌进行了详细检测,并对检测结果进行了深入地分析研究。

3.1 活塞杆实验检测条件

工件材质为45#优质碳素结构钢,加工电流密度为5A/cm2,阳极与阴极间的间距为0.8mm,珩磨条粒度为W14,原始表面为精磨加工表面。表面粗糙度截取长度l=0.25,评定长度为5l。表面波纹度截取长度l=2.5,评定长度为5l。精磨表面和电化学机械光整加工表面轮廓图4所示,水平方向放大倍数为×100,铅锤方向放大倍数为×3000。全部垂直于加工痕迹方向测量。

3.2 表面微观不平度高度特征

经多个试件的反复测量表明,表面微观不平度高度特性参数较稳定,通过对检测结果(见表1)分析,电化学机械光整表面轮廓算术平均值Ra仅为精磨的20%,轮廓最大高度Ry为精磨的23%,代表轮廓高度的特征值轮廓均方根偏差Rp仅为精磨的5%左右,比轮廓最大高度Ry更精确的反应轮廓高度变化的轮廓平均高度Rrm为精磨的18%左右。实验结果表明电化学机械光整加工可获得较好的表面质量。

4 结论

电化学机械光整加工可以大幅度消除表面低周期波动,使表面轮廓高度分布范围缩小,电化学机械光整表面的波纹度远小于精磨表面。而本文研制的夹心式电化学机械光整加工装置结构紧凑、易于操作。采用复式主轴,实现了带正电的工件与机床的可靠绝缘,电解液流量可调,可迅速带走电化学产物,加速电化学反应,同时通过选定磨粒粒度和珩磨压力对机械珩磨力进行调节,控制表面轮廓高度分布。实验证明,当机械珩磨使用粒度为W3的精密软磨条时,可以得到的超精表面。

参考文献

[1]周锦进,阿达依,谢尔亚孜旦,等.电化学光整加工对表面微观几何形貌的影响[J].中国机械工程,2006(13):1346-1349.

[2]L.J.J.Janssen,L.Koene.The role of electrochemistry and ele-ctrochemical technology in environmental protection,chemi-cal Engineering Joural,2002.85:137-146.

[3]李海滨.凸轮电化学机械光整加工技术及控制系统研究[D].2005.12.

[4]张明,侯仰海,徐宁,等.杆类液压零件电化学机械综合光整科研鉴定材料[R].山东省教育厅,J99A56,2002.06.

[5]李诚,刘传绍.表面光整加工技术及其发展趋势[J].矿山机械.2007(11):143-45.

[6]张明,侯仰海,毛蜀平.电化学机械光整加工表面形貌研究[J].机械工程学报,2003,39(7):154-158.

[7]刘晋春,赵家齐.特种加工(第二版)[M].机械工业出版社,1996.03.

光整加工篇7

汽车覆盖件模具的加工过程为:粗铣——半精铣——精加工——超精加工 (镜面加工) 。精加工一般采用磨削加工, 而采用机械光整加工的是超精加工, 同时还存在一些问题。脉冲电化学由于存在的优势与特点, 能够解决机械光整加工的诸多问题[1]。由机械光整加工和脉冲电化学加工这两种技术发展起来的镜面抛光工艺的就是脉冲电化学光整加工, 而在非线性电解溶液中的电化学阳极利用金属溶解去除少量的金属表面层, 从而对工件进行了镜面抛光, 达到了提高工件表面物理机械能, 降低了工件表面粗糙度的一种表面光整加工的方法。

汽车覆盖件模具最常用材料是Cr12Mo V, 结合天汽模公司, 对其制造的Cr12Mo V汽车覆盖件模具进行脉冲电化学机械光整加工, 主要从加工温度、电解液浓度、加工间隙、电流密度、脉冲参数等方面对Cr12Mo V模具钢进行表面质量试验。

1 试验条件

用Cr12Mo V模具钢作阳极, 热处理硬度为6 0 H R C, 精加工后, 表面粗糙度值为Ra0.8;用Na NO3和Na Cl混合水溶液作电解液, 脉冲频率5~20 k Hz, 脉冲宽度10-200S的脉冲加工电源。

2 试验结果分析

2.1 电解液温度的影响

温度控制在10℃~25℃之间时, 获得模具钢表面光亮;如果再升高电解液的温度, 在模具钢表面就会有阳极膜残留, 保证能容易擦除阳极膜, 将温度控制在40℃以内;温度高于40℃时, 模具钢表面呈灰白色, 光亮度较低温时降低, 且表面较为粗糙。因此, 在对Cr12Mo V模具钢进行电化学光整加工时, 电解液的温度控制在40℃以内。

2.2 电解液浓度的影响

电解液浓度直接影响着导电能力的强弱, 浓度低时, 导电能力较弱。随着浓度的增加, 导电率增强, 可以用提高浓度的方法提高导电率, 但电解液浓度过高易引起模具钢表面点蚀和杂散腐蚀, 影响表面质量。采用Na NO3电解液、以30 g/L为间隔对质量浓度进行了10~300 g/L为间隔对质量浓度低于50 g/L时, 溶液电阻率加大, 为提高电流密度而施加的较高加工电压导致易出现极间放电现象;当溶液质量浓度高于300 g/L时, 电解液的非线性特性减弱, 加工质量下降。因此, 质量浓度选择一般应在100~250 g/L范围内。在浓度较低时, 可加入少量Na Cl来调整电导率。

2.2 加工间隙对表面质量的影响

在加工中, 间隙不能太小, 也不能太大。当间隙>0.5 mm时, 光整效果不明显, 应当减小加工时的间隙, 调整电流场的分布高度, 使其在间隙最小的地方集中, 可以很好的提高电流的利用率, 降低了表面的粗糙度, 提高了表面的质量;但是间隙过小的话, 这其中的电解溶液也会很少, 电解热量与产物都不容易排出, 电解液的温度升的过快, 加工过程的稳定性能变差, 表面质量也相对的变差。因此, 加工的间隙的范围可以在0.2~0.5 mm内选取。

2.3 电流密度对表面质量的影响

电流密度是单位电极面积上通过的电流强度, 当电流密度较小, 小于一定值时, 模具钢表面几乎全被黑色膜层所覆盖, 上面有些点状白色亮点;随着电流密度的增大, 黑膜覆盖面积迅速减小, 黑膜向透明光亮膜转化, 光亮部分逐渐扩大, 加工表面呈现黑、灰、亮相交替;当电流密度继续增大至90 A/cm2时, 电流效率达到最大值, 且逐渐趋于稳定, 模具钢黑膜完全溶解, 加工表面均匀、光亮, 表面粗糙度值明显降低。

上述实验表明, 电流密度对模具钢表面粗糙度的影响较大, 只有将电流密度控制在一定的范围内, 才能有效提高表面质量, 减小表面粗糙度值。但电流密度过高时, 单位时间内所产生的电解产物将急剧增加, 这会影响到流场的均匀性, 因而加工Cr12Mo V模具钢时, 电流密度可在95 A/cm2左右选取。

2.4 脉冲电流参数的影响

脉冲电流就是指一切具有突变部分的周期性非正弦波形的电流。脉冲电流能加强电解液的非线性特性, 有效地改善模具钢的溶解过程。在脉冲间隙时间内, 加工间隙中的析热、析气、电解产物能充分排出, 从而更新电解液;在脉冲占有时间里, 加工间隙中产生同步的析气压力波, 促进电解液扰动, 可以降低对电解液流动特性的要求, 改善流场, 能获得稳定、理想的加工过程。

占空比、脉冲频率、脉冲宽度是影响间隙过程理化特性变化的主要参数, 直接影响模具钢溶解的蚀除能力、极间间隙大小及分布情况, 继而影响到Cr12Mo V模具钢的加工效率、加工精度和表面粗粗度。另外, 在不同的频段和脉宽范围内, 频率越高, 占空比越小, 脉冲效应也就越强, 理化特性的变化就越大。

分析脉冲参数对Cr12Mo V模具钢加工效果的影响, 分别调整脉冲间歇和脉冲占有时间再次进行了加工试验, 在脉冲占有时间、脉冲间歇时间一定的情况下, 随着脉冲占有时间增加, 表面粗糙度值增加。

可以得出, 选择合适的加工参数, 可以得到均匀、光滑, 无明显的方向性的模具钢表面。

3 结语

就各汽车模具企业现有条件, 他们完全可以采用电化学光整加工。但多数企业依然沿用机械光整加工, 为促进脉冲电化学光整加工技术在汽车模具精加工中的广泛应用, 对Cr12Mo V模具钢的脉冲电化学光整加工进行了试验研究。结果表明:

(1) 要想获得良好的表面质量, 采用脉冲电化学光整加工工艺。

(2) 合理选择各个参数时, 可将Cr12Mo V模具钢Ra0.8µm的磨削加工至Ra0.12µm。

(3) 应针对汽车模具特点, 加强对加工表面精度特性的研究, 推动该技术在汽车模具光整加工中的广泛应用。

摘要：汽车覆盖件模具精度要求高, 超精加工采用脉冲电化学机械光整加工, 通过选用合适的加工参数, 加工出精度较高的汽车覆盖件模具。

关键词：脉冲电化学,光整加工,模具钢

参考文献

[1]周旭光.模具特种加工技术[M].北京:人民邮电出版社, 2012.