常用光整加工方法及其优劣分析

随着科学技术的发展，对产品加工精度和表面粗糙度的要求越来越高，零件表面质量既影响机器性能，也涉及机器的寿命。为此，零件表面精加工后常常进行光整加工以提高零件的加工精度和表面质量。光整加工的方法有高精度磨削、珩磨、超精加工、研磨、滚压、抛光等。现将常用的方法介绍如下。

1.珩磨

1）珩磨的工作原理和工艺特点

珩磨是利用珩磨工具对工件表面施加一定的压力，珩磨工具同时作相对旋转和直线往复运动，切除工件上极小余量的一种光整加工方法。珩磨后工件圆度和圆柱度一般可控制在0.003 0.005 mm范围内；尺寸精度可达IT6～IT5级；表面粗糙度值Ra在0.2～0.025μm范围内。

珩磨的工作原理如图10-10所示。它利用安装在珩磨头圆周上的若干条细粒度油石，由涨开机构将油石沿径向涨开，使其压向工件孔壁，以便产生一定的面接触，同时珩磨头作旋转和轴向往复运动，实现对孔的低速磨削。油石上的磨料在已加工表面上留下的切削痕迹呈交叉而不相重复的网纹，如图10-10所示，有利于润滑油的储存和油膜的保持。

由于珩磨头和机床主轴是浮动连接，因此机床主轴回转运动误差对工件的加工精度没有影响。珩磨头的轴向往复运动以孔壁为导向，按孔的轴线进行，故不能修正孔的位置偏差。孔轴线的直线度和孔的位置精度必须由前道工序（精镗或精磨）来保证。

珩磨时，虽然珩磨头的转速较低，但往复速度较高，参加切削的磨料又多，因此珩磨能很快地切除金属，生产率较高，应用范围广。珩磨可以加工铸铁、淬硬或不淬硬的钢件，但不宜加工易堵塞油石的韧性金属零件。珩磨可加工直径为50～500 mm的孔，也可以加工L/D在9以上的深孔。珩磨工艺广泛用于汽车、拖拉机、矿山机械、机床行业等。

图10-10　珩磨原理及磨料运动轨迹

2）珩磨头的结构

珩磨头的结构形式很多。图10-11所示是一种机械加压的珩磨头。本体5通过浮动联轴器与机床主轴相连接。油石条4黏结在垫块6上，装入本体5的槽中，垫块6两端由弹簧箍8箍紧，使油石条4有向内缩的趋向。珩磨头的直径靠调整锥3来调节，当向下旋转螺母1时，调整锥3下移，其锥面通过顶块7将垫块6连同油石条4一起沿径向向外顶出，直径即加大；把螺母1向上拧，压力弹簧2将调整锥3向上推移，油石条4因弹簧箍8的作用而向内收缩，直径即减小。

3）珩磨主要工艺参数的选择

珩磨工艺参数选择得是否正确，将影响到珩磨表面质量及生产率。珩磨主要工艺参数简介如下。

（1）油石的选择。油石的选择包括材质、粒度、长度、数量等几个方面。

^[1]油石的材质与工件材料有关，一般对于钢件选刚玉，对于铸铁、不锈钢和有色金属选择碳化硅。

②油石的粒度与孔的表面质量要求有关，表面粗糙度值要求越小，粒度应越细。

③油石的长度对所珩孔母线的直线度影响较大。为了加工出直径一致、圆柱度好的孔，必须调整好油石的工作行程及相应的越程量。油石的越程量一般取油石长度的1/5～1/3。越程量过大，被加工孔易出现喇叭口；越程量过小，被加工孔易出现腰鼓形；两端的越程量相差较大时，被加工孔会出现锥度。

④油石的数量在保证珩磨头本体一定刚度的前提下，尽可能多选一些，但也不能过多，否则会影响切削液的流入，磨屑难以清除。

（2）珩磨切削参数的选择。珩磨切削参数的选择包括网纹交叉角（θ）、珩磨头的圆周速度v旋、珩磨头的往复速度v往、油石工作压力、珩磨加工余量、珩磨切削液等几个方面。

图10-11　机械加压的珩磨头

1—螺母；2—压力弹簧；3—调整锥；4—油石条；5—本体；6—垫块；7—顶块；8—弹簧箍

珩磨头的周圆速度v旋，建议采用下列数值：未淬硬钢为36～49 m/min，淬硬钢为23～36 m/min，铸铁为60～70 m/min，铝合金为70～76 m/min。

②油石工作压力是指油石上单位面积的压力。通常油石工作压力可参照下列数据选择：粗加工铸铁0.5～1.0 N/mm2，粗加工钢0.8～2 N/mm2，精加工铸铁0.2～0.5 N/mm2，精加工钢0.4～0.8 N/mm2。

③珩磨加工余量对珩磨质量和生产率有很大的影响。珩磨加工余量一般为前工序形状误差及表面变形层综合误差的2～3倍，通常不超过0.1 mm。

④珩磨切削液的使用目的是冲去磨屑和脱落的磨料，使表面粗糙度值变小。加工钢和铸铁时，通常用60%～90%的煤油，加入10%～40%的硫化油或其他动物性油；加工青铜时用水或干珩磨。

4）珩磨孔尺寸的自动控制

珩磨的自动测量装置通常可分机械式和气动式两种。图10-12（a）为气动式自动测量装置。珩磨头上有固定测量喷嘴，珩磨达到规定尺寸后，气压即发生变化，触发控制信号使珩磨头退出工件。图10-12（b）所示为环规式自动测量装置。塑料接头的外径与珩磨油石的外径一致，当被加工孔径与环规孔径和珩磨油石的外径相同时，靠塑料接头摩擦力带动环规旋转，触发信号，使珩磨工作停止。图10-12（c）所示为塞规式自动测量装置。珩磨每往复一次，塞规测量一次，达到尺寸后，塞规即进入孔内，触发控制信号，使机床停止工作。

图10-12　珩磨自动测量装置

1—珩磨头；2—导向块；3—固定测量喷嘴；4—珩磨油石；5—环规；6—塑料接头；7—塞规

2.超精加工(www.xing528.com)

超精加工（见图10-13）是在良好的润滑冷却条件和较低的压力条件下，用细粒度油石以快而短促的往复振动频率，对低速旋转的工件进行光整加工。它是一种用以降低工件表面粗糙度值的简单而高生产率的方法。

如图10-13（a）所示，超精加工时有三种运动，即工件的低速旋转运动、磨头的轴向进给运动、油石的往复振动运动。有时为增加切削效果，又增加了径向振动。这三种运动的合成使磨料在工件表面上形成不重复的轨迹。如果暂不考虑磨头的轴向进给运动，则磨料在工件表面上形成的轨迹是正弦曲线，如图10-13（b）所示。

图10-13　超精加工

图10-13中：vw——工件表面的线速度，一般为6～30 m/min；A——油石振幅，为1～5 mm；f——油石振动频率，为10～25 Hz；p——油石在工件上的压强，约为0.15 MPa；v——油石往复振动速度。

超精加工的切削过程与磨削、研磨不同，在工件粗糙表面磨去之后，油石能自动停止切削。超精加工大致分为以下四个阶段。

1）初期切削阶段

当油石开始同比较粗糙的工件表面接触时，虽然压力不大，但实际接触面积小，压强较大，因而工件与油石之间不能形成完整的润滑油膜；加之油石磨料的切削方向经常变化，磨料破碎的机会较多，油石的自励性好，所以切削作用较强。

2）正常切削阶段

少数凸峰磨平后，接触面积增大，压强降低，油石磨料不再破碎、脱落而进入正常切削阶段。

3）微弱切削阶段

随着接触面积逐渐增大，压强进一步降低，油石磨料已经变钝，切削作用微弱，细小的磨屑形成氧化物而嵌入油石的气孔内，使油石表面逐渐变光滑，油石从微弱的切削过渡到对工件表面起研磨抛光作用。

4）停止切削阶段

油石和工件表面已很光滑，接触面积大为增加，压强很小，磨料已不能穿破工件表面的油膜，工件与油石之间有油膜，不再接触，切削作用停止。

如果光滑的油石表面再一次与新的工件表面接触，由于较粗糙的工件表面破坏了油石的光滑表面，油石恢复了自励性，又能重新起切削作用。

由于油石与工件之间无刚性运动联系，从总体上说，油石切除金属的能力较弱，加工余量很小（一般为3～10 μm），所以，超精加工修正尺寸误差和形状误差的作用较差，不能改善表面间相互位置精度。超精加工一般用来对工件表面进行光整加工，并能获得表面粗糙度Ra=0.1～0.01 μm的加工表面。

目前，超精加工广泛用于加工内燃机的曲轴、凸轮轴、刀具、轧辊、轴承、精密量仪及电子仪器等精密零件，能对不同的材料（如钢、铸铁、黄铜、磷青铜、铝、陶瓷、玻璃、花岗岩等）进行加工，能加工外圆、内孔、平面及特殊轮廓表面等。

3.研磨

研磨是用研磨工具和研磨剂从工件表面上研去一层极薄金属的光整加工方法。除了采用一定的设备进行研磨外，还可以采用简单的工具，如研磨芯棒、研磨套、研磨平板等对工件表面进行手工研磨。研磨后工件的尺寸精度可达0.001 mm，表面粗糙度值可达Ra=0.025～0.006μm。

现以手工研磨外圆为例，说明研磨的工作原理。如图10-14所示，工件支承在机床两顶尖之间，作低速旋转。研具套在工件上，在研具与工件之间加入研磨剂，然后用手推研具作轴向往复运动，对工件进行研磨。研磨外圆所用的研具如图10-15所示。图10-15（a）所示是粗研套，孔内有油槽，可存研磨剂；图10-15（b）所示是精研套，孔内无油槽。

研磨加工的主要目的是获得很高的表面质量和很高的加工精度，它的金属去除率很低，所以研磨余量通常很小，为10～20μm。

研磨可以在研具精度不太高的情况下修正工件的尺寸和形状误差，使工件达到很高的加工精度。如果要通过研磨来修正工件的尺寸和形状误差，则应该分为几个工步进行，即从粗研逐步过渡到精研，此时研磨余量应稍大，但通常不超过0.1 mm。

通常，刚玉类磨料适用于碳素工具钢、合金工具钢、高速钢和铸铁工件的研磨；碳化硅类磨料和金刚石适用于硬质合金、硬铬等高硬度工件的研磨。

图10-14　在车床上研磨外圆

图10-15　外圆研具

此外，常用的光整加工方法还有高精密磨削、滚压、抛光等。各种光整加工方法的特点及应用如表10-2所示。

表10-2　各种光整加工方法的特点及应用

续表