珩磨加工效率的影響因素研究*

□張永貴 □牛俊凱 □楊云江 □龔俊

蘭州理工大學機電工程學院 蘭州 730050

內圓珩磨是采用3塊平板互研的原理，加工出精密表面的一種特殊內圓磨削方法，這種方法不僅能提高內圓表面粗糙度，而且能提高零件的尺寸精度和幾何形狀精度，尤其適合薄壁孔和剛性不足的工件或較硬材料工件的加工。平臺網紋珩磨是較普通珩磨更為先進的珩磨工藝，平臺網紋珩磨與普通珩磨原理相同，也是切削、擠壓和刮擦的過程。但平臺網紋珩磨有其特點:粗珩加工出較深的劃痕，精珩把這些劃痕的尖峰磨平，變成平頂凸峰，當前平臺網紋珩磨被進一步分為3個階段（或稱3個工序）:粗珩、精珩和平臺珩［1，2］。目前平臺網紋珩磨在汽車發動機缸體及氣缸套內孔表面加工中得到廣泛應用，實驗證明，平臺網紋珩磨氣缸套與普通珩磨氣缸套相比，磨合期縮短了1/3～1/2，壽命提高10%～20%，扭矩提高5%，機油消耗降低50%～83%，并可避免發動機工作過程中的拉缸現象［3］。隨著國家對汽車尾氣排放標準的提高，平臺網紋珩磨技術得到了更廣泛的關注。如何進一步改善缸套珩磨工藝，保證缸套珩磨質量的同時來提高珩磨效率，意義重大［4］。

本文綜合分析了珩磨加工中，珩磨速度、往復換向加速度、油石壓力和性能對珩磨效率的影響，為合理選擇珩磨加工關鍵工藝參數提供了一定的理論依據。

1 珩磨速度對珩磨效率的影響

珩磨速度即珩磨油石與工件接觸點的線速度,珩磨速度V是珩磨軸旋轉速度Vt與往復運動速度Va的合成，如式（1）所示，旋轉速度Vt與往復直線速度Va是兩個重要的珩磨工藝參數。兩種運動的結果使珩磨油石的磨粒在被加工孔的表面上切削出交叉網紋，網紋形成的角即為網紋交叉角θ（如圖1）.在珩磨加工中要獲得較好的珩磨效果，必須合理選擇Vt、Va及θ。

▲圖1 珩磨速度與網紋交叉角

式中：a為加速度；ti為勻變速時間。

切削、擠壓和刮擦是珩磨加工的基本原理，油石切削越快、與工件孔壁擠壓越強，金屬去除率就越高，由此得知珩磨加工中對磨削效率影響較大的因素是珩磨速度和珩磨壓力。由式（1）知Vt和Va的值越高，珩磨速度越高,珩磨頭單個往復行程時間越短，珩磨效率越高。而在實際加工時需要考慮網紋夾角的大小，由式（2）知道網紋夾角θ和Va/Vt（珩磨速比）有關。為了兼顧珩磨效率、網紋夾角和表面珩磨質量，需要合理確定Vt和Va。在實際加工中，Vt可根據機床性能和缸套工作面粗糙度要求選定，而且現代珩磨機基本能滿足珩磨頭達到勻速的要求。油石磨削性能一定的情況下，Va就成為影響珩磨速度和網紋質量的關鍵因素。

▲圖2 單個往復行程油石單粒軌跡

如圖2，珩磨頭單個往復行程中油石單粒的軌跡變化反映了珩磨速度的變化，依此將V分6個階段。在增、減速階段由式（3）知：若換向加速度一定，則Va增大——增速階段時間變長——換向時間延長——網紋換向弧度加大——網紋質量下降。故要提高珩磨效率，則需要較高的珩磨速度，往復速度相應也要提高。往復速度提高后，雖然可以縮短往復行程時間，提高加工效率，但同時會導致換向時間的延長，影響整體珩磨質量。為了保證缸套表面的光潔度，Vt必須達到一定的高度，且網紋夾角符合性能要求。

實際加工時，半個行程中珩磨油石單粒運動路程和時間的關系式如下（對應圖2中1、2、3三個階段，4、5、6階段的路程量和所用時間可認為和前3階段相同）：

式中：t為勻速段時間。

經驗證明，提高珩磨效率，需要提高Va，現代珩磨的特點之一就是具有較高的往復速度（25～35 m/m in）,且θ=45～70°時，珩磨效率較高［5］。以此經驗為基礎，假設加工φ100×195 mm缸套，Vt=52.7 m/m in（0.878 m/s）,且保持不變，在符合θ=45～65°的范圍內，Va分別取25 m/m in、35 m/m in（0.417 m/s、0.583 m/s），其它珩磨工藝參數和所用油石完全相同。根據上式用Matlab繪制路程、時間關系圖。

▲圖3 兩種往復速度下路程和時間的關系

▲圖4 往復速度、網紋夾角的關系

如圖3所示，A、B、C分別為Va=0.583 m/s時對應的加速、勻速、減速段路程—時間關系；D、E、F分別為當Va=0.417m/s時對應的加速、勻速、減速段路程—時間關系。顯然，當Va=0.583 m/s時，完成半個珩磨行程的時間遠低于Va=0.417 m/s時所用時間，即往復速度提高，珩磨效率隨之提高；加速段A和減速段C通過的路程和所用時間高于Va=0.417 m/s時相應的D、F段的路程所用時間，即往復速度高時換向區面積增大。所以，在換向加速度一定時，高的往復速度會產生較大的換向區域，降低工件加工面整體網紋質量，可以有效提高珩磨效率；珩磨速度低時，會降低珩磨效率，換向區域會減小，有利于工件加工面整體網紋質量。

由式（2）知，Vt取定后，往復速度、網紋夾角之間的關系如圖4所示，Va的選取范圍應滿足工件對網紋夾角θ1<θ<θ2的硬性要求，Vx、Vy是滿足網紋夾角范圍要求的兩種臨界往復速度。為了保證換向時所用時間最短，從而形成的換向網紋弧度最小，網紋質量較好，應在Vx、Vy之間選取Va=Vx，但效率低；已知往復速度越高，加工效率越高，則Va應取Vy，此時V最大，珩磨效率最高，但網紋質量差。因此，為了兼顧網紋質量和珩磨效率，珩磨往復速度可根據實際加工條件如機床性能、油石性能等在Vx

2 珩磨頭往復換向加速度的影響

珩磨機往復換向作為珩磨機控制的關鍵環節，直接影響珩磨機的加工能力和質量［6］。珩磨加工的一個往復行程中，由于液壓系統的固有特性，其換向加速度不可能很快，換向時間不可能太短，外加重力加速度的影響，磨頭在上、下行程止端換向時，會對換向區域的網紋產生較大影響，導致網紋凌亂，網紋角不規則，紋路不清晰和弧度增大而達不到平臺網紋的技術要求［7］（如圖5所示）。但換向加速度過大，會導致換向時對機床產生較大的沖擊，影響伺服電機和整機壽命。

圖6為針對直徑D=100 mm,長度L=195 mm的氣缸，要求網紋角θ=45～65°、珩磨旋轉速度Vt=52.7 m/m in時，珩磨換向加速度a=2g、a=2.5g、a=3g、a=4g的單粒油石往復換向軌跡。

▲圖5 換向區形成的弧形網紋（a）和正常網紋(b)對比

▲圖6 不同加速度下單粒油石的換向區域軌跡

珩磨頭往復換向加速度對切削效率的影響主要通過往復速度來體現。由圖6知當珩磨往復速度一定時，換向加速度越高，位移量越小，換向時間越短，網紋夾角弧度越小，換向區面積越小，勻速珩磨區域面積越大，網紋整體質量越高；較高的換向加速度還能使珩磨頭更快到達勻速珩磨階段，縮短珩磨的時間，有利于珩磨效率的提高。同時，在兼顧網紋質量和珩磨效率的前提下，往復換向加速度的提高，使Va在Vx、Vy范圍內選取時更接近Vy，有利于珩磨效率的提高。因此在機床整體性能允許的范圍內換向加速度越高越好。

3 珩磨油石的壓力和硬度的影響

珩磨油石壓力是珩磨時油石與工件加工表面接觸產生的壓力［8］，珩磨油石壓力的大小直接影響工件表面質量、油石磨損量和工件尺寸精度、表面粗糙度［9］。以金剛石油石和碳化硅油石為例：金剛石油石硬度高于碳化硅油石，在相同珩磨壓力和受力的情況下金剛石油石的磨損量小于碳化硅油石，壽命更長，且金剛石油石受力后變形量極小，保證了加工的可靠性。金剛石與碳化硅相比，硬度高，可產生更大的切削作用，但自勵性略差（自勵性是指磨粒在磨鈍后能夠及時破碎、脫落，露出新的加工表面的能力）。在一定的范圍內，珩磨壓力越高，效率越高，同時也加劇了油石的變形和磨損，影響珩磨效率，壓力過大還會引起薄壁缸套類工件的微變形，降低加工精度。選用硬度高的油石材料，可降低油石變形和磨損。但是硬度高，自勵性就差，會降低珩磨工件表面質量。從保證珩磨質量的前提下提高效率的角度出發，粗珩油石要求硬度較高，磨損量低，壽命長，可承受大的珩磨速度和珩磨壓力；精珩選用硬度低但自勵性高的油石材料。由此知油石壓力選擇除考慮機床的功率大小、珩磨頭及珩磨夾具的剛性等因素外，最重要的選用原則是根據不同加工工序階段油石材料硬度及被加工工件圓度、直線度要求合理選擇。珩磨速度和油石壓力的調整遵循粗珩效率優先，精珩表面質量優先。

4 結論

本文論述了珩磨速度、換向加速度、油石壓力和油石硬度對珩磨效率的影響，通過以上分析結論如下。

（1）珩磨速度直接影響珩磨效率，換向加速度直接影響換向區面積大小和換向區網紋質量，高速高效珩磨要以高的換向加速度作保證。

（2）在油石磨削性能和機床整體性能允許的條件下，油石壓力越大，珩磨效率越高。珩磨速度和油石壓力的調整遵循粗珩效率優先、精珩工件工作面質量優先的原則，具體選用除考慮機床的功率大小、珩磨頭及珩磨夾具的剛性等因素外，還要以加工工序、油石材料的硬度、自勵性等為依據。最終的目的是油石壓力的選定能在粗精加工的不同階段兼顧油石損耗和珩磨效率。

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