1 引言
多年来, 珩磨技术一直有着黑色技术之称, 其主要原因是珩磨加工的技术要求没有任何标准可遵循, 而是随着生产条件的不同而变化。目前, 这一技术被越来越多的人们所认识, 其经济效益达到了一个新的水平。这一变化应归功于当代超硬磨料油石———金刚石和立方氮化硼材料的发展。超硬珩磨油石是用金刚石或立方氮化硼磨料等制成的条状固结磨具。20 世纪70 年代国外开始采用金属结合剂的金刚石油石和立方氮化硼油石用以加工淬火钢或铸铁。
使用超硬珩磨油石在磨削效率、磨削质量上都获得了很好的效果, 缩短了磨削时间, 提高了工件合格率。油石寿命大大延长, 从而改变了需要勤量、勤调、频繁更换油石的状况, 大大提高了生产率。同时, 采用水加少量防锈剂代替防锈油作冷却液, 可以节省大批机油, 从而降低产品的加工成本。任何材料都可以用金刚石油石或立方氮化硼油石来珩磨,包括各种钢材、硬质合金、铸铁、超耐热合金、电镀层和涂覆层、陶瓷以及玻璃。超硬磨料油石的各种性能可以稳定地再现, 这是因为超硬磨料油石无论其配方如何, 都可以被热压到接近100 %的密度(金属结合剂), 从而减少了由于封闭气孔所引起的性能变化。
2 珩磨原理和特点
珩磨是在低的切削速度下, 对工件表面进行光整加工的方法, 是磨削加工的一种特殊形式, 又是精加工中的一种高效加工方法。这种工艺不仅能去除较大的加工余量, 而且是一种提高尺寸精度、几何形状精度和降低表面粗糙度的有效加工方法, 在汽车零部件制造中应用很广泛。
2 .1 珩磨加工原理
珩磨是利用安装于珩磨头周围的一条或多条油石, 由胀开机构(有旋转式和推进式两种)将油石沿径向胀开, 使其压向工件孔壁, 以便产生一定的面接触。同时使珩磨头旋转和往复运动, 零件不动, 或珩磨头只做旋转运动, 工件往复运动从而实现珩磨。
在大多数情况下, 珩磨头与机床主轴之间或珩磨头与工件夹具之间是浮动的。这样, 加工时珩磨头以工件孔壁作导向。因而加工精度受机床本身精度的影响较小, 孔表面的形成基本上具有创制过程的特点。所谓创制过程是油石和孔壁相互对研、互相修整而形成孔壁和油石表面, 其原理类似两块平面运动的平板相互对研而形成平面的原理。
2 .2 珩磨加工特点
（1）加工精度高
珩磨能够提高被加工工件的形状精度, 特别是一些中小型的通孔, 其圆柱度可达0.001mm 以内。一些壁厚不均匀的零件, 如连杆, 其圆度可达到0.002mm ;如果没有环槽或径向孔等, 直线度达到0.01mm/1m 以内也是有可能的。珩磨比磨削加工精度高, 磨削时支撑砂轮的轴承位于被磨孔之外, 会产生偏差, 特别是小孔加工。
（2）表面质量好
表面为交叉网纹, 有利于润滑油的存储及油膜的保持。有较高的表面支撑率(孔与轴的实际接触面积与两者之间配合面积之比), 因而能承受较大载荷, 耐磨损, 从而提高了产品的使用寿命。由于珩磨速度低, 且油石与孔是面接触, 每一个磨粒的平均磨削压力小, 所以工件的发热量很小, 切削区的温度可保持在50-150℃, 工件表面几乎无热损伤和变质层, 变形小。
（3）加工范围广
主要加工各种圆柱形孔:通孔、轴向和径向有间断的孔, 如径向孔或槽孔、键槽孔、花键孔、盲孔、多台阶孔等。另外, 用专用珩磨头还可加工圆锥孔、椭圆孔等, 但由于珩磨头结构复杂, 一般不用。用外圆珩磨工具可以珩磨圆柱体, 但其去除的余量远远小于内圆珩磨的余量。
（4）切削余量小
珩磨加工是所有加工方法中去除余量最少的一种加工方法。在珩磨加工中, 珩磨工具是以工件作为导向来切除工件多余的余量而达到工件所需的精度。
（5）纠孔能力强
由于其他加工工艺方面存在不足, 在加工过程中会出现以下一些加工缺陷:如失圆、喇叭口、波纹孔、尺寸小、腰鼓形、锥度、镗刀纹、孔偏及表面粗糙等。采用珩磨工艺加工可以通过去除最少加工余量而极大的改善孔和外圆的尺寸精度、圆度、直线度、圆柱度、和表面粗糙度。
3 超硬珩磨油石的特点、制备工艺及关键技术
3 .1 超硬珩磨油石的特点
超硬珩磨油石中的每一颗粒都起切削作用, 这是因为作用在油石上的力全部集中在为数较少的切削刃上, 超硬磨粒不像普通磨粒那样迅速磨损或破碎。耐磨的金属结合剂支撑并把持着磨料来克服逐渐增大的切削力, 而各种专用结合剂使切屑能够开辟其自身的排屑通道。因此, 油石能快速切削, 其耐用度比大多数的普通油石如碳化硅油石、氧化铝油石等要长。采用超硬油石可使生产率、产品精度、工艺可靠性得到提高, 加工单件的磨具成本下降, 划伤率减小。
超硬珩磨油石比一般珩磨油石短而窄, 宽度是一般珩磨的1/2 -1/4 , 以留出足够的容屑空间, 使油石和工件之间有适当的接触压力, 较低热量, 磨削性较好, 珩磨出的网纹均匀清晰。选择超硬磨料油石要考虑加工零件的材料、硬度、加工余量、前工序状况、孔的形状和精度要求, 以此来决定油石的种类、粒度、浓度和结合剂。磨料种类可以选择单一磨料也可以选择混合磨料, 因为在珩磨一些金属材料时, 混合磨料油石具有比单一磨料油石更加良好的磨削效果及应用前景。珩磨时, 由于有很大负荷作用在磨料和结合剂上, 因此结合剂要牢固, 一般硬、脆、强度较高的工件要求结合剂软一些, 因为它比其它材料容易使磨料破损, 要求结合剂较快磨损,以补给切削晶粒。反之, 硬度低的工件材料由于穿透区域较大, 晶粒受力也较大, 所以要求牢固的结合剂。采用超硬磨料油石珩磨, 关键是使用金属结合剂。金属结合剂的热传导性、耐磨性和强度都比陶瓷和树脂结合剂高。
超硬磨料油石常用浓度有150 %、100 %、75 %、50 %和25 %等五种, 一般情况下, 增加浓度会提高油石寿命, 但切削效率较低。浓度较高, 油石工作表面磨料多, 加工光饰率好, 但切削能力差;浓度较低的油石切削能力较好, 但光饰率较差。
3 .2 超硬珩磨油石的制备工艺及关键技术
超硬珩磨油石一般使用金属结合剂。下面以金属基金刚石珩磨油石为例, 具体介绍超硬珩磨油石的制作工艺。金刚石珩磨油石制造一般采用冷压烧结成型工艺或热压烧结成型工艺。冷压工艺采用金属模具, 在一定的压力(350 -550MPa)下, 冷压成一定密度(7.0 -7.3g/cm3)的半成品, 然后在还原气氛中高温烧结成型。该工艺钢模使用寿命长, 单位成本磨耗较低, 而且可以大批量压制成型、烧结, 产品的性能和质量较稳定、一致。而热压工艺则采用石墨模具, 在20 -25MPa 的压力下, 同时压制烧结成型, 其烧结温度低, 成型压力小、金刚石强度损失少,而且结合剂合金化程度高, 对金刚石把持力强, 但是石墨模具重复使用寿命较短, 模具损耗大。一般热压工艺所采用设备有混料机、热压机、低温烘箱。而冷压工艺常采用100t 液压机和自行改装的封闭式硅碳棒烧结炉。
金刚石珩磨油石制造工艺流程如图1 所示。
制作珩磨油石的关键技术问题有两个:一是金属基珩磨油石在烧成后易出现弯曲变形、裂纹、磨料层和底料层分离等问题。二是珩磨油石的修整问题。
引起珩磨油石变形、开裂、两层分离的原因主要有两个, 一是磨料层和底料层的配方不同, 使烧成后因热胀冷缩不均而产生明显变形;二是当珩磨油石长度尺寸大而厚度尺寸小时, 如果高温烧结后脱模过早, 随模冷却时间不足, 也会使珩磨油石产生变形。解决方案如下:一是可以通过在两层金属结合剂采用相同或相近配方的前提下, 采用往底层中添加廉价金刚石或者碳化硅填充料的方案, 能够防止金刚石层与底层因膨胀系数不一致而造成烧成收缩不均, 避免了弯曲变形、裂纹和分层等废品的产生。二是热压烧结时要等珩磨油石充分冷却后再卸模,也能减少变形情况。
珩磨油石的修整问题是关键, 这是由于珩磨油石、油石座及磨头体等的制造误差, 装配后珩磨头的珩磨油石不可能形成一个规整间断的圆柱面, 保证珩磨油石与被加工面都接触良好。虽然在珩磨过程中, 珩磨油石可以和工件互相修整, 但工件留磨量较小, 所以在最初珩磨过程中可能得不到充分的修整。尤其是超硬磨料的珩磨油石, 由于其本身耐磨, 就更不能得到充分的修整。因而在加工中也不可能得到理想的加工表面, 精度也无法保证。因此在使用新珩磨油石时, 在加工之前必须对珩磨油石进行修整(也称为归圆)。
超硬珩磨油石可在外圆磨床上用碳化硅砂轮进行修整, 也可以利用废工件或加工余量大的工件孔,在所使用的珩磨机床上直接校正归圆。用碳化硅砂轮修整时的修整参数为:砂轮转速为18 -25m/s , 磨头转速为1 -3m/s , 进刀深度一般修磨用0.02 -0.04mm/行程, 精修为0.01mm/行程。同时需要大量冷却液浇入。
4 珩磨技术的发展及其应用
珩磨加工起源于二十世纪初期, 最先由美国的Barnes公司和Micromatic公司发明, 然后被当时工业发达国家如德国、英国、日本等纷纷采用, 并将其应用于汽车机内燃机汽缸的加工中, 收到了很好的效果。
最初的珩磨加工仅仅是手电钻式的人工珩削, 油石为弹簧式自由扩胀, 只能提高工件表面光洁度。1924年发展了油石液压扩胀, 开始切除大余量, 自动测量也开始出现, 珩磨加工开始向自动化发展。1938年珩磨进给机构进一步改善, 开始控制油石扩胀速度并能补偿油石磨损, 精度进一步提高。1952年开始出现完全补偿的电子油石扩胀机构。这时由于机床和油石制造水平低, 无法增加油石与工件之间的接触压力, 所以珩磨一直被视为表面光整加工方法, 只用于最终加工工序。之后由于强力珩磨技术的应用, 珩磨技术在加工范围、加工精度和切削效率等方面有了飞速发展。
在发达国家, 对珩磨技术方面的研究主要侧重于新型珩磨技术研发, 如德国拉格尔公司研制的双向双进给平顶珩磨, 德国格林公司最新研制的激光珩磨, 美国善能公司新开发的刷珩磨技术。而表面粗糙度检测仪器的研究, 主要是为适应精密偶件珩磨技术的发展而开发的。根据珩磨网纹微观结构,国际先进的检测仪器可检测70 种以上参数。通过对这些参数的检测, 操作人员或技术人员可对珩磨切削参数进行调整, 从而获得较为理想的珩磨网纹。著名的检测系统有英国泰勒、德国霍梅尔、德国马尔、日本精工等。这些工艺、检测技术的研发, 大大改善了发动机运行性能, 延长了发动机的使用寿命,但均存在各自利弊:通过激光珩磨技术, 可以获得理想的近似矩形的交叉网纹沟槽, 使发动机汽缸套、缸体的使用寿命、耐磨性、配副性、储油性等大大提高,为目前最理想的加工表面技术, 但其功效太低, 难以适应发动机大批量生产需求;刷珩磨为当前国际最新研制的珩磨技术, 使表面轮廓的顶部变成圆形, 这就意味着表面的贮油性能高、切削深度小, 与平顶结构相似, 但该技术对机床配置、性能有较高要求, 且刷磨头的材质还处于试验研究阶段, 目前很难获得普及。
珩磨技术在不断向前发展, 控制系统也由传统的机—电—液压控制向数字行程控制, 甚至是向CNC 发展。控制系统为珩磨机的关键技术, 各公司都投入大量的人力、物力进行研究、开发和更新换代, 因此各公司的控制系统又有所不同。可编程数字行程控制系统为目前使用最广泛的控制器, 可自动控制旋转速度、形成速度、粗珩进给、精珩进给,可故障报警, 并可遥控调节, 包括遥控调节珩磨油石磨耗补偿、进给速度和扭矩。另一类为远程行程调节系统, 可设定和修改机器数据, 用于设定上下反向点、上下预停点、最大行程、参照点、短行程范围等,另外还可以对错误信息报警。
目前国内发动机汽缸套、汽缸体以及工程机械液压系统制造业普遍采用珩磨技术, 但珩磨水平较低, 对珩磨工艺参数研究较为松散, 珩磨国家标准仅相当于国际上世纪70 年代水平, 对珩磨控制的参数仅有少数几组。另外, 我国珩磨设备与国外大公司生产的先进珩磨设备之间的差距还体现在:国外珩磨设备具有先进的冷却技术及过滤技术、先进的温控技术、先进的夹具技术等。
国外珩磨技术的飞速发展对中国的珩磨机制造业和珩磨工艺的使用提出了挑战。据统计, 国内近五、六年引进的珩磨机达到上百台, 高端市场基本上被国外的珩磨机制造企业占据。国内生产珩磨机的专业厂家有宁夏的大河机床厂、北京第三机床厂、德州机床厂、上海航空设备厂等, 生产出的珩磨机技术水平与国外产品有一定的差距。国内机床厂家通过对国内外重点生产厂家同类产品的比较, 也对目前的珩磨机进行了改进, 其中北京第三机床厂已有数控立式内圆珩磨机、双轴四工位数控珩磨机等数控产品。一些国内机床厂家在总结德国格林、美国德隆、美国善能产品的基础上, 结合油缸、喷嘴、异性工件等深孔产品的精加工特点和实际工作经验, 制订了适合冷拔、镗孔等管坯加工使用的强力珩磨机设计方案, 在满足加工工艺指标的前提下, 取得了价格低、性能好的效果。
目前除了关注珩磨技术、控制系统和珩磨设备的发展外, 人们也非常重视珩磨油石的发展, 人造金刚石和立方氮化硼磨料的应用极大地推动和促进了珩磨油石的发展。超硬珩磨油石在珩磨加工中应用十分普遍, 特别是珩磨精密小孔应用极为广泛。据国外资料统计, 在珩磨加工中应用金刚石或立方氮化硼磨料的占92 %以上。
珩磨加工目前主要用在汽车、拖拉机、摩托车、轮船、航空、工程机械、机床和军工等制造与修理部门, 用来精加工钢筒、套孔以及外形较大不便于旋转的零件孔以及细长孔等, 特别是内燃机汽缸套(孔);高速精密机床主轴与辅助(进给)传动运动副孔;;液压及气动缸体孔;减速机、电机、发电机等壳体套孔;各种泵孔;枪炮筒孔及其它紧密、耐磨孔件。
5 结语
综上所述, 珩磨作为一种先进的加工形式已获得越来越广的应用, 与之相应的珩磨技术、珩磨设备、珩磨油石也有了很大程度的发展。超硬珩磨油石作为珩磨加工的牙齿也被越来越多的人关注,目前国内有不少厂家在生产超硬珩磨油石, 但是和国际先进水平仍存在很大差距, 所以研制出高性能的超硬珩磨油石也成为超硬材料工具业界的艰巨任务。
