研磨工艺及应用

南京航空航天大学机电学院052系光整加工表面光整加工技术以获得高质量的表面为目的通常作为机械加工的最终加工工序南京航空航天大学机电学院052系光整加工表面光整加工技术可以分为两大类基于表面形变的光整加工基于微量去除的光整加工研磨加工、珩磨加工、抛光加工南京航空航天大学机电学院052系概述-光整加工分类工件表面的加工方法很多，每种加工方法在获得一定形状和尺寸精度的同时，也相应得到一定的表面质量。南京航空航天大学机电学院052系概述-光整加工分类1、光整加工定义旨在提高工件表面质量的各种加工方法、加工技术统称为表面光整加工技术，简称光整加工南京航空航天大学机电学院052系概述-光整加工分类2、光整加工分类以降低工件表面粗糙度值为主要目的的光整加工，如光整磨削、研磨、珩磨和抛光等。南京航空航天大学机电学院052系概述-光整加工分类以改善工件表面物理力学性能为主要目的的光整加工，如滚压、喷丸强化、金刚石压光和挤孔等。南京航空航天大学机电学院052系概述-光整加工分类以去除毛刺飞边、棱边倒圆等为主要目的的光整加工，如喷砂、高温爆炸、滚磨、动力刷加工等。铝轮表面喷砂处理前后对照（轮毂专用喷砂机、喷丸机）南京航空航天大学机电学院052系概述-光整加工分类铸件喷砂、喷丸清洗前后（压送式箱式喷砂机、喷丸机）汽车配件喷砂、喷丸清洗前后（箱式喷砂机、喷丸机）南京航空航天大学机电学院052系概述-光整加工分类滚压金刚石压光挤压表面光整加工化学和电化学法机械法非自由磨具热能作用光整磨削超精研珩磨砂带抛光弹性轮抛光动力刷加工无削光整加工自由磨具研磨滚磨磁性研磨挤压珩磨液、气体喷射喷丸强化电化学抛光化学心轴抛光电化学振动光蚀电解研磨超声波加工激光加工热电阻丝加工高温去毛刺南京航空航天大学机电学院052系概述-光整加工分类3、光整加工特点光整加工的加工余量小，原则上只是前道工序公差带宽度的几分之一。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。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，其精度要靠先行工序来保证。有效地清除铸件、锻件和热处理件表面的残渣、杂质及氧化皮。南京航空航天大学机电学院052系概述-光整加工分类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）。改善工件表面层金相组织状态，提高表面显微硬度。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。降低工艺成本，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。南京航空航天大学机电学院052系概述-光整加工表面质量1、工件表面质量工件的表面质量是评价工件质量的一个重要指标，它对工件的使用性能，尤其是对高速、高温和高压条件下工作工件的可靠性有很大的影响。南京航空航天大学机电学院052系概述-光整加工表面质量工件的表面可按照它的形成方法分为两大类：毛坯表面南京航空航天大学机电学院052系概述-光整加工表面质量机械加工表面南京航空航天大学机电学院052系概述-光整加工表面质量A、表面层的特性机械加工后在工件表面上形成了很薄的表面层，其特性与内部基体特性有很大区别。GCr15轴承钢(62HRC)的原始组织已加工表面白层的微观结构南京航空航天大学机电学院052系概述-光整加工表面质量污染层氧化层吸附层吸附气体层微变形层严重变形层金属基体外表面层表面层内表面层加工后金属表面层组成示意图南京航空航天大学机电学院052系概述-光整加工表面质量B、表面质量的含义在机械加工中用“表面质量”来评价由一种或几种加工、处理方法获得的工件表面层几何的、物理的、化学的或其它工程性能的状况与工件技术要求的符合程度。南京航空航天大学机电学院052系概述-光整加工表面质量表面质量的主要内容分为以下两个方面：加工表面的几何特征去毛刺前去毛刺后材质：金属（齿轮元件）南京航空航天大学机电学院052系概述-光整加工表面质量加工表面层材料的性能反映表面层的塑性变形与加工硬化、表面层的残余应力及其金相组织变化等方面的物理力学性能；反映表面锈蚀、光学性能等方面要求的其它特殊性能。南京航空航天大学机电学院052系概述-光整加工表面质量2、工件表面质量的评价美国金属切削研究协会的M.Filed和J.Kahles于1964年提出了“表面完整性”的概念，并将其定义为：由于受控制的加工方法的影响，导致成品的表面状态或性能没有任何损伤，甚至有所加强的结果。南京航空航天大学机电学院052系概述-光整加工表面质量表面完整性是从加工表面的几何纹理状态和表面受扰材料区的物理、化学、力学性能变化两方面来评价和控制表面质量。其评价指标可归纳为五类：南京航空航天大学机电学院052系概述-光整加工表面质量表面的纹理形貌。包括表面粗糙度、表面波纹度和表面纹理方向。表面缺陷。包括加工毛刺、飞边、宏观裂纹、表面撕裂和皱折等缺陷，微观组织和表面冶金学、化学特性。包括金相组织、微观裂纹和表层化学性能。表面力学性能。包括加工硬化的程度和深度、残余应力的大小、方向及分布情况。表面的其它工程技术持性。包括电学性能变化、光学性能变化。南京航空航天大学机电学院052系研磨加工技术研磨（Lapping）是历史悠久、应用广泛而又在不断发展的加工方法。南京航空航天大学机电学院052系研磨加工技术工件经研磨后，能获得很低的表面粗糙度和很高的尺寸精度、几何形状精度和一定的位置精度。但要获得高的研磨加工精度，一般均应先采用其它加工方法得到较高的预加工精度。否则，研磨效率较低。南京航空航天大学机电学院052系研磨加工技术-研磨加工的特点研磨是将研磨工具（以下简称研具）表面嵌入磨料或敷涂磨料并添加润滑剂，在一定的压力作用下，使工具和研具接触并做相对运动，通过磨料作用，从工件表面切去一层极薄的切屑，使工件具有精确的尺寸、准确的几何形状和很高的表面粗糙度，这种对工件表面进行最终精密加工的方法，叫做研磨。南京航空航天大学机电学院052系研磨加工技术-研磨加工的特点研磨加工模型南京航空航天大学机电学院052系研磨加工技术-研磨加工的特点研磨加工的机理纯切削说塑性变形说化学作用说南京航空航天大学机电学院052系研磨加工技术-研磨加工的特点研磨过程不可能由一种观点能解释通。事实上，研磨是磨粒对工件表面的切削、活性物质的化学作用及工件表面挤压变形等综合作用的结果。某一作用的主次，则要根据加工性质，加工过程的进展阶段而有所不同。南京航空航天大学机电学院052系研磨加工技术-研磨加工的特点研磨加工的分类按操作方法不同分类研磨加工可分为手工研磨和机械研磨。南京航空航天大学机电学院052系研磨加工技术-研磨加工的特点手工研磨南京航空航天大学机电学院052系研磨加工技术-研磨加工的特点研磨外圆时，工件夹持在车窗卡盘上或用顶尖支撑，作低速回转，研具套在工件上，在研具与工件之间加入研磨剂，然后用手推动研具作往复运动。往复运动速度常选用20-70m/min为宜。图a为粗研套，孔内有油槽，可储存研磨剂；图b为精研套，无油槽。南京航空航天大学机电学院052系研磨加工技术-研磨加工的特点机械研磨效率高，可以单面研磨，也可以双面研磨。如图所示为一种行星传动式的双面研磨机。1‘-上研磨盘1-下研磨盘2-工件3-工件夹盘4-内齿圈5-中心传动齿轮n1-研磨盘转速n2-工件转速n3-工件夹盘转速n4-内齿圈转速n5-中心传动齿轮转速南京航空航天大学机电学院052系研磨加工技术-研磨加工的特点按研磨剂使用的条件分类研磨加工可分为湿研、干研和半干研三种。按加工表面的形状特点分类研磨加工可分为平面、外圆、内孔、球面、螺纹、成形表面和啮合表面轮廓研磨。南京航空航天大学机电学院052系研磨加工技术-研磨加工的特点研磨加工的特点在机械研磨中，机床－工具－工件系统处于弹性浮动状态，这样可以自动实现微量进给，因而可以保证工件获得极高的尺寸精度和形状精度。研磨时，被研磨工件不受任何强制力的作用，因而处于自由状态。这一点对于刚性比较差的工件尤其重要，否则工件在强制力作用下将产生弹性变形，在强制力去除后，由于弹性恢复，工件精度将受到严重破坏。南京航空航天大学机电学院052系研磨加工技术-研磨加工的特点研磨运动的速度通常在30m/min以下，这个数值约为磨削速度的百分之一。因此，研磨时工件运动的平稳性好，能够保证工件有良好的几何形状精度和相互位置精度。研磨时，只能切去极薄的一层材料，故产生的热量少，加工变形小，表面变质层也薄，加工后的表面有一定的耐蚀性和耐磨性。南京航空航天大学机电学院052系研磨加工技术-研磨加工的特点研磨表层存在残余压应力，有利于提高工件表面的疲劳强度。操作简单，一般不需要复杂昂贵的设备。除了可采用一定的设备来进行研磨外，还可以采用简单的研磨工具，如研磨心棒、研磨套、研磨平板等进行机械和手工研磨。适应性好。不仅可以研磨平面、内圆、外圆，而且可以研磨球面、螺纹；不仅适合手工单件生产，而且适合成批机械化生产；不仅可加工钢材、铸铁、有色金属等金属材料，而且可加工玻璃、陶瓷、钻石等非金属材料。研磨可获得很低的表面粗糙度。研磨属微量切削，切削深度小，且运动轨迹复杂，有利于降低工件表面粗糙度；研磨时基本不受工艺系统振动的影响。南京航空航天大学机电学院052系研磨加工技术-研磨工艺及应用一、研磨工艺A、研磨质量的影响因素被研磨工件质量主要取决于所选用的研磨方法、研磨剂、研具、研磨时的压力、研磨运动和工件研磨前的预加工等方面的因素。南京航空航天大学机电学院052系研磨加工技术-研磨工艺及应用研具南京航空航天大学机电学院052系研磨加工技术-研磨工艺及应用研磨石研磨剂南京航空航天大学机电学院052系研磨加工技术-研磨工艺及应用种类主要成分显微硬度/HV适用材料刚玉Al2O32000-2300各种碳钢、合金钢、不锈钢碳化硅SiC2800-3400铸铁、其他非铁金属及其合金（青铜、铝合金）、玻璃陶瓷、石材碳化硼B4C4400-5400高硬钢、镀铬表面、硬质合金碳硅硼5700-6200硬质合金、半导体材料、宝石、陶瓷金刚石C10000硬质合金、陶瓷、玻璃、水晶、半导体材料、宝石氧化铬Cr2O3淬硬钢及一般金属的精细研磨和抛光南京航空航天大学机电学院052系研磨加工技术-研磨工艺及应用研磨液南京航空航天大学机电学院052系研磨加工技术-研磨工艺及应用B、研磨工艺参数研磨压力研磨压力与研磨效率相关，研磨效率是随着研磨压力的增加而增加。研磨类型平面外圆内孔（孔径为5～20mm）其它湿研0.1～0.250.15～0.250.12～0.280.08～0.12干研0.01～0.10.05～0.150.14～0.160.03～0.04研磨压力（MPa）南京航空航天大学机电学院052系研磨加工技术-研磨工艺及应用研磨速度一般来说研磨作用是随着研磨速度的增加而增加研磨类型平面外圆内孔其它单面双面湿研20～12020～6050～7550～10010～70干研10～3010～1510～2510～202～8研磨速度（m/min）注：工件材质较软或精度要求较高时，速度取小值。南京航空航天大学机电学院052系研磨加工技术-研磨工艺及应用研磨时间研磨时间和研磨速度是密切相关的，对粗研磨来说，为了获得较高的研磨效率，其研磨时间主要应根据磨粒的切削快慢来确定。对精研磨来说，实验曲线表明，研磨时间在1～3分钟范围内，研磨效果已经变缓，超过3分钟，对研磨效果的提高没有显著变化。南京航空航天大学机电学院052系研磨加工技术-研磨工艺及应用运动轨迹对研磨运动轨迹的要求是：工件相对于研磨盘平面作平行运动，保证工件上各点的研磨行程一样，以获得良好的平面度精度；研磨运动力求平稳，尽量避免曲率过大的转角；工件运动应遍及整个研具表面，以利于研具均匀磨损；工件上任一点的运动轨迹，尽量不出现周期性的重复。常用的研磨