鏡面拋光技術的進展

李衛權

(東華大學機械工程學院，上海 201620)

引 言

近年來，機械零件的精整與光飾加工技術在國內各行各業應用十分廣泛。隨著我國機械裝備制造業的迅速發展，在該領域，拋光技術的需求和應用也越來越廣泛。如紡織機械中PAN碳纖維、高強度聚乙烯及長絲及改性滌綸等新材料的生產設備制造技術;印刷機械中的新型高檔印刷機的精密制造;煤礦機械高端液壓支架的研制和開發等。在這些設備中使用的一些機件，如溝槽輥、導絲輥、壓輥、熱輥、串水輥或活柱等零件，設計要求機械性能、輥體精度、公差尺寸和動平衡等級都非常高，部分輥體表面鍍覆層外觀質量要達到超鏡面效果。為使產品滿足設計要求，需要深入研究機械零件拋光加工技術，找到切實可行的工藝加工方法。

通過對零件拋光技術文獻的研究，發現目前關于這方面的綜合研究及應用的文獻資料發展較快，但與電鍍鉻工藝、噴涂陶瓷工藝相結合的參考文獻并不多。如果將機械零件拋光制造領域的研究成果加以總結完善，并且予以應用和推廣，將會極大提升國內相關行業產品的核心競爭力。

1 拋光加工的地位和作用

目前，先進制造技術已經是衡量一個國家經濟發展的重要手段之一。許多發達國家都十分重視先進制造技術的發展和水平，將它作為本國的科技優先發展領域和高技術的實施重點。它能夠對產品革新、擴大再生產和提高國際市場經濟競爭能力帶來巨大影響，成為當今世界各國發展國民經濟的重要舉措。有關數據顯示，工業化國家中有70% ～80%的物質是制造業創造的［1］，而先進制造技術能夠通過不斷對制造技術優化和創新，實現制造企業及其產品對動態多變市場的適應性和核心競爭能力的發展目標。因此先進制造技術已成為衡量一個國家綜合實力和科技發展水平的重要標志。作為先進制造技術的一個重要組成部分，拋光加工可以明顯改善機件表面的粗糙度及裝飾效果，并保持其精度的穩定性。隨著制造業裝備的進一步發展，將會對拋光加工技術提出更高的要求。

2 拋光加工技術研究現狀

目前，對拋光加工機理，國內還缺乏有針對性的系統研究，對拋光加工新技術和新工藝的加工動態過程也缺乏系統的認識，阻礙了拋光加工技術的進一步發展［1］，從而也影響了拋光加工技術的完善、應用和推廣。對于拋光加工的重要作用，國內大部分企業還缺乏必要的認識，對拋光加工技術的本質還沒有真正理解和掌握，即使采用同樣的工藝，質量與國外同類產品相比，差距也很明顯。近年來，隨著國內機械裝備制造領域技術的不斷發展，各行各業在設備開發過程中出現了一些傳統工藝難以加工的工件，這些工件對表面質量要求很高，設計外觀呈鏡面或超鏡面效果。如何研究開發出新的拋光加工工藝解決好這些技術難題，是相關制造企業面臨的一項新課題。2011年，國內一家碳纖維設備的使用廠家，對于設備中的導絲輥、溝槽輥等關鍵零件，提出不但要從零件加工精度方面高標準，還要求外觀達到超鏡面視覺效果。應該以對待工藝品表面質量的態度去制造加工，成品總裝后，件件都是精品。

現階段，國內大多數企業仍然采用傳統的機械拋光加工工藝，磨輪與機件表面初始接觸時，磨損量較大，機件表面精度無法保證。在磨具的強力擠壓作用下，尖點金屬開始產生塑性流動而被強制壓入到微觀凹坑內，隱藏了其表面真實形貌。在后期的使用過程中，由于疲勞磨損引起不斷脫落，表面質量變得越來越差;經這種工藝加工過的零件，外觀光亮但沒有明顯鏡面效果，表面粗糙度只能達到Ra0.1μm左右，且不易保證工件尺寸。而經非傳統及復合拋光加工的機件，其微觀表面形貌為波浪狀或圓弧凹坑狀，摩擦系數較低，磨輪與機件表面初始接觸時，磨損量較小，精度保持性良好，耐磨損、耐腐蝕和抗疲勞性能明顯改善，表面粗糙度可達到Ra0.001μm，具有超鏡面視覺效果。代表著未來拋光加工技術的發展方向。因此必須從實際出發，研究和開發適合我國制造業拋光加工的新技術，盡快縮短與國外發達國家之間的差距。

我國的拋光加工技術起步較晚，20世紀60年代開始對化學及電化學拋光技術的研究，但發展較慢。20世紀80年代初，脈沖電化學加工和電化學機械拋光加工技術在我國得到迅速發展。在電化學機械拋光加工、脈沖電化學機械拋光加工方面，大連理工大學進行了廣泛而深入的研究，創造了較好的社會效益和經濟效益。在最近幾年中，太原理工大學一直在探索新的研究方法，希望運用數字試驗和物理試驗結合的方法，建立數學模擬仿真模型，對拋光加工技術進行微觀加工機理的研究和先行數值試驗，完成設備的結構和加工參數的優化，為拋光加工技術的研究提供了新的途徑。2011年，在中國國際表面處理展會現場，西班牙奧特普(AUTOPULIT)自動拋磨機有限公司，已通過建模和計算機仿真，生產出應用計算機控制的超精密機械拋光數控設備，工件拋光后可以達到超鏡面視覺效果。

3 拋光加工技術發展趨勢

拋光加工技術按照加工時能量的作用形式，主要可分為機械法、化學和電化學法、熱能法三大類。這種分類方法有助于理解某種具體拋光加工技術的機理和本質。根據磨料或磨具在加工過程中所處的狀態，機械法又可分為自由磨具拋光加工和非自由磨具拋光加工兩種形式［2］。

拋光加工技術的功能主要有:改善表面粗糙度，消除劃痕、夾灰和細微裂紋等缺陷;降低表面摩擦系數，提高耐磨性;提高零件表面物理力學性能，改善零件表面應力分布狀態;提高零件精度，保證裝配工藝性;改善零件表面的光澤度、光亮程度，符合清潔生產要求;提高零件及整機的使用壽命;提高鍍覆層與基體的結合力，滿足外觀裝飾性要求等。

從拋光加工發展的過程來看，大體經歷了手工研磨和拋光→機械拋光加工→非傳統拋光加工→復合拋光加工四個階段，由此可見，其發展趨勢是在不斷改善機件表面質量的同時，提高生產效率;在保證機件高精度要求的同時，實現機件批量生產的機械化、自動化、柔性化和智能化。

精密和超精密加工技術、微細和超微細加工技術是現代制造技術的一個重要發展方向，研究和開發新的復合拋光加工技術，解決不斷涌現的新型材料和復合材料超精密加工的新課題，值得科技工作者認真探索和研究。目前，實現這些加工所采用的方法主要有電解磨削、磁流體研磨、化學-機械拋光(CMP)加工、脈沖電化學機械拋光加工、磁粒拋光加工、電化學磁粒拋光加工和研磨液體射流加工等技術［3-5］。其中CMP技術已應用于微電子機械系統、光學玻璃、精密閥門及金屬材料等制造領域;電化學磁粒拋光技術在對不銹鋼、鉛-銻合金等材料的精加工應用中效果良好。進入21世紀，國內外越來越多的技術研究和產品制造都正在通過計算機建立數學仿真模型實現，產品的質量品質得到了很大的提高，同時大大縮短了產品的研發周期，開發成本顯著降低［6］。近年來，中國科學院光電技術研究所根據Preston方程，建立了磁流體輔助拋光數學模型，研究分析了磁流體輔助拋光后拋光區的形貌，得到表面粗糙度為Ra0.76nm的光學元件。同時他們在大型非球面光學鏡面的數控加工技術方面取得了令人矚目的發展，成功研制出CCOM1600計算機控制拋光機，可對d=1300mm拋面主反射鏡進行加工，代表了我國在拋光技術裝備方面的制造水平。在國際上，超精密加工技術處于領先地位的國家主要是美國、英國和日本。這些國家在這個領域的加工技術不僅總體成套水平高，而且商品化的程度也很高。英國的Cranfeild大學的精密工程研究所(簡稱CUPE)在全球享有較高的聲譽，研制的大型超精密金剛石車床加工的非球面反射鏡最大d可達1400mm，已成功應用在X射線天體望遠鏡上;CUPE最新研制的Nanocentre(納米加工中心)，是一種超精密復合加工系統，可進行超精密車削、磨削和拋光，工件加工精度可達0.1μm，表面粗糙度Ra＜10nm，代表世界領先水平［1］。

4 鏡面拋光技術的研究

4.1 金屬的機械拋光

4.1.1 基體表面對鍍覆層的影響

金屬基體的初始表面往往覆蓋著氧化層、油層和普通沾污層，這些表層附著物妨礙電鍍液或涂層與金屬基體充分接觸，影響著表面鍍覆層的外觀色澤、結晶粗細、致密性、結合力及均勻度等。只有去除這些附著物，露出金屬的自然色澤和表面金相組織結構，鍍覆層才能在其表面正常生成。

在表面處理過程中，金屬基體表面的機加工紋路、毛刺、銹層、夾灰、結瘤及固體顆粒等必須清除干凈，盡可能降低其表面粗糙度，確保工件表面光滑、平整。否則很難獲得致密，孔隙率低，高平滑性的鍍覆層。在電鍍過程中，基體表面與鍍層是通過金屬鍵結合，鍍件表面粗糙度越低，其結合力越好;而在熱噴涂陶瓷過程中，涂層與基體表面通過機械咬合作用結合，基體表面粗糙度越低，涂層表面越光滑，孔隙率越低，耐蝕性越高。另一方面，基體表面的粗糙度越低，電鍍時其表面真實電流密度較高，很容易達到金屬的沉積電勢，反之則不容易達到金屬的沉積電勢，在電鍍過程中伴隨有大量氫氣的析出［7］。

4.1.2 基體表面的整平機理

目前國內大部分制造商在輥軸類零件拋光加工過程中，普遍采用非自由磨具機械法拋光加工技術。應用最為廣泛的是干性磨輪拋光法［8］，有生產效率高，投入成本較低，適合批量性生產加工等特點，但粉塵和噪音均較大，拋光精度及工件表面粗糙度較差，表面粗糙度最低為 Ra0.045 ～0.070 μm，外觀呈鏡面裝飾效果;另一種為濕性砂帶拋光法，設備前期投入成本較高，生產過程無粉塵，噪音也較低，拋光精度高，工件表面粗糙度最低為 Ra0.001 ～0.005μm，外觀呈超鏡面裝飾效果，但生產效率較低，適合高精度、小批量生產。干式拋光時，磨輪表面涂有拋光蠟，沿切線方向高速旋轉并與機件表面接觸，由于切削力的強力擠壓作用，在機件表面產生高溫，金屬基體表面產生塑性形變，尖點金屬開始產生塑性流動而被強制壓入到微觀凹坑內，凹進的部分被填平，在高溫作用下，一層極薄的氧化膜或其他化合物膜層在金屬表面快速生成，膜層經過反復拋光，表層形貌得到了改善，最終形成光滑平整具有鏡面裝飾效果的表面［9］;濕式砂帶拋光時，砂帶通過接觸輪與工件被加工表面接觸。接觸輪材質一般為橡膠或塑料，砂帶基底材料是布、紙或聚酯薄膜，它們都有一定的彈性，磨削時，由于磨粒的擠壓作用，機件加工表面同樣會產生塑性變形，但由于彈性變形區的面積較大，磨粒承受的載荷較小，受力也較均勻。從加工原理分析，濕性砂帶拋光采用細化磨粒、載體研磨帶和加工液的多種組合，兼有研磨和拋光的作用，是一種復合加工技術。在機件表面進行超精密振動研磨，達到超鏡面的裝飾效果。

4.2 金屬表面電化學拋光

4.2.1 電化學拋光的原理

電化學拋光一般采用以磷酸為主的電解拋光液，零件為陽極。在電解過程中，對具有微觀粗糙的零件進行處理，金屬工件產生陽極溶解，其表面粗糙度降低，能獲得鏡面光亮與整平的精飾加工效果，可用于裝飾性電鍍的前處理［10］。多年來，由于電化學拋光過程的復雜性，各種電化學拋光機理都存在一定的局限性，至今沒有獲得較為統一的理論。

根據電解液組成、陽極金屬的性質，選取不同的電解液濃度、溫度、電流密度等工藝參數，在陽極表面可能存在以下三種反應［11］:

1)金屬的溶解 Me－2e→ Me2+;

2)陽極表面生成鈍化膜 Me－2e+H2O→MeO+2H+;

3)氣態氧的析出 2H2O－4e→4H++O2↑。

4.2.2 電化學拋光的特點

電化學拋光的光亮性和整平性比較好，溶液使用壽命長，拋光速度快，拋光效率高。零件表面及板材沖孔邊緣毛刺去除效果好，表面粗糙度可以降低2～3級，光反射率高，裝飾效果較好，對零件幾何形狀要求不高［12］;光亮處理后的不銹鋼產品及各種金屬構件無氫脆性，工件無變形等［13-14］，拋光設備與工裝夾具簡單，投資較小。

電化學拋光缺點在于:不同金屬材料電解液的通用性較差;較難保持零件尺寸和幾何形狀的精確度;金屬基體表層的純度和組織均勻性對最終表面質量影響較大;金屬表面的微觀裂紋、夾灰等缺陷經電化學拋光后被有效放大。

4.2.3 電化學拋光新技術

近年來，精密與超精密加工技術在制造業中發展迅速，磁場、脈沖及超聲波等技術與自動化、智能化技術相互融合形成的一些復合電化學拋光技術也不斷獲得突破［15］，傳統的拋光加工工藝越來越難以滿足高精度拋光的要求。如何才能更有效地提高電化學拋光的效率，實現自動化電化學拋光，進一步降低機件的表面粗糙度，成為國內外重點研究的課題［16］。

4.3 金屬表面超聲波拋光

4.3.1 超聲波拋光原理

工作原理是通過具有適當輸出功率(50～1000W)的超聲高頻振動系統產生的超聲振動能量附加到拋光工具(硬質滾輪等)或作用于待加工金屬工件表面，從而使工具或工件以高頻、小振幅進行超聲頻機械振動摩擦，使工件表層金屬產生塑性變形，在塑性變形的過程中達到為工件拋光目的的表面拋光加工方法。拋光過程中產生了冷作硬化，達到了改善表面質量的目的。這種表面質量的改善是綜合的，既有硬度的提高，又有表面粗糙度降低，同時也彌合了一些微觀裂紋，提高了工件的疲勞強度、耐磨性和耐腐蝕性。

4.3.2 超聲波拋光的特點

與傳統的砂紙砂光、拋光、磨削比較，超聲波拋光加工具有以下一些優點［17］:

1)滾輪與工件的接觸為斷續捶擊，減小了相互間的摩擦，加工區溫度大幅度降低，避免了因溫度過高造成的表面缺陷;

2)表面粗糙度大幅度降低，可以降低三級以上，達到 Ra0.02μm 以下;

3)有效提高已加工表面的耐磨性、耐腐蝕性以及抗疲勞強度。超聲波拋光加工表面屬于壓縮型塑性變形，工件表面會產生一定的壓應力，表面硬度提高20%以上，疲勞強度提高一倍左右;

4)設備投資較少。經過簡單改裝，在普通車床上即可進行拋光加工，對大型和超大型工件，拋光效果更為明顯;

5)不產生切屑，生產效率較高。其加工效率相當于精車，拋光硬質合金的生產效率比普通拋光提高近20倍;

4.3.3 超聲波拋光應用范圍

超聲波拋光加工設備可用于內外圓表面、平面的加工，如各種缸體內外圓、液壓活塞桿或冶金大型鋼軋輥等，可直接替代磨削和珩磨;所加工的金屬種類比較寬泛，加工后，金屬表面最高硬度可達HRC60。

5 兩種技術的有效結合

機件表面經過機械拋光加工、電化學拋光加工后，進行電鍍鉻或噴陶瓷處理，再進行超精密振動研磨拋光，將改善零件鍍覆層表面的質量。粗糙度、孔隙率明顯降低。用時代TR200粗糙度測試儀檢測，高速卷繞頭壓絲輥鍍鉻件輥體表面光亮帶粗糙度可達Ra0.001μm，外觀呈超鏡面視覺效果，呈像清晰;電拋光不銹鋼鍍鉻導絲板表面粗糙度可達Ra0.1μm，外觀呈鏡面視覺效果;長絲FDY熱輥表面陶瓷層粗糙度可達Ra0.1μm，外觀呈鏡面裝飾效果［18］。經過超聲波拋光加工過的機件，金屬基體的表面硬度提高20%以上，硬度最高可達HRC60，疲勞強度可提高近一倍，表面粗糙度可以降低三級以上，最高可達Ra0.02μm以下，外觀呈鏡面視覺效果，大大改善了傳統工藝鍍鉻加工后機件表面的綜合機械性能及裝飾效果。

6 結語

綜上所述，在對機件鍍覆層的加工過程中，將機械拋光加工、電化學拋光加工、超聲波拋光加工與電沉積工藝、噴涂陶瓷工藝有效地結合起來，在保證零件高精度的同時，使機件表面達到鏡面裝飾效果，大幅度提高機件和整機設備的綜合使用性能。該項技術具有較高的市場推廣價值，產品附加值較高，將提升制造業產品的核心競爭力，也符合現階段我國制造業發展的方向。

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