薄壁高強度鋼質氣缸套珩拋工藝研究

□ 洪彥奎 □ 王保民 □ 李勝利

北方通用動力集團 石家莊 050081

隨著高功率密度發動機技術的快速發展，為保證氣缸套內孔表面具有較高的耐磨性、抗蝕性和抗熱疲勞強度等綜合優良性能，不僅氣缸套內孔尺寸及形位精度要求越來越嚴格，而且對其內表面物理組織、微觀結構要求也更為苛刻［1］。

普通珩磨和普通內孔磨削作為傳統的孔加工技術［2］，均有其技術缺陷。普通珩磨技術特點：采用砂條工作，加工痕跡為規則紋路，加工過程中發熱量較小，不易燒傷工件，但難以高效實現表面粗糙度達鏡面標準的內孔加工。普通內孔磨削技術特點：采用砂輪或砂帶工作，加工痕跡為不規則紋路，雖然技術本身能實現內孔拋光，但加工過程中既會因殘余應力產生加工硬化現象，又會因發熱量較大而燒傷加工表面，從而引起物理組織發生改變，最終影響零件工作面的機械性能。因此，加工內表面達鏡面標準且要求摩擦副能形成有效潤滑油膜的氣缸套時，普通珩磨和內孔磨削根本無法實現。

為解決上述問題，筆者提出了“珩拋”的新概念，探討了珩拋工藝的技術原理，對加工方式、工藝參數、加工磨具、輔料選擇等多方面進行了深入研究，攻克了薄壁、高度強化表面鏡面超精加工技術的難題，實驗證明了珩拋對薄壁、高度強化表面鏡面超精加工的可行性和合理性。

1 珩拋加工原理

珩拋加工是一種新型復合超精加工技術，在珩拋加工過程中，油石上各磨粒在工件表面上的運動速度如圖1所示。

▲圖1 珩拋加工原理圖

設油石上下運動的往復速度與周向回轉線速度構成切削方向角為 θ，合成切削速度v為：

切削方向角θ為：

式中：vg為磨頭回轉的線速度，r/min；vs為磨頭往復運動速度，r/min；D 為磨頭直徑，mm；ng為磨頭轉速，r/min；a為磨頭工作行程，mm；f為磨頭往復頻率，次/min。

θmax是珩拋加工的重要工藝參數，對加工生產率和表面粗糙度有較大的影響。

在合理確定工藝參數、油石參數、冷卻液等前提下，當油石最初接觸比較粗糙的工件表面時，由于接觸點面積小，壓強大，工件與油石之間不能形成完整的潤滑油膜，加之油石磨粒的切削方向經常變化，磨粒破碎較多，磨鈍的情況少，油石具有良好的自勵性，因此，這時的油石主要起切削作用。隨著工件表面被磨平，同時還有極細的切屑所形成的氧化物嵌入油石空隙，使油石表面形成光滑表面，接觸面積逐漸增大，單位面積上的壓強逐漸減小，潤滑油膜也逐漸形成，最后便自動停止切削，起到光整拋光的作用。

如果光滑的油石表面再一次與待加工的工件表面接觸，由于較粗糙的工件表面破壞了油石的光滑表面，又可恢復油石的自勵性能，切削過程可以再一次進行。

2 主要工藝參數 、油石、冷卻液的確定

2.1 加工技術要求

某氣缸套毛坯為含鉻、鉬、鋁、錳等化學成分的專用高強度無縫鋼管， 其材料特性：σb≥980 MPa，σs≥835 MPa，δ5≥15%，ψ≥50%，AKv≥71J， 氣缸套內表面終加工前進行離子氮化處理，氮化層硬度≥80HRA，壁厚最薄處僅3.5 mm，內孔表面粗糙度Ra≤0.05 μm。由此可見，該零件不僅材料強度、硬度及韌性均很高，其切削加工性能很差，而且結構設計壁厚很薄，屬于典型的薄壁弱剛性零件，極易產生加工變形［3］。最重要的是，內孔表面粗糙度要求很高，采用傳統的加工技術難以保證氣缸套內孔表面的加工質量。

2.2 珩拋加工主要工藝參數的確定

影響珩拋加工生產率和加工質量的主要因素有：工藝參數（如 θmax、f、a、p 等）、油石以及冷卻潤滑液的質量和性能。

2.2.1 最大切削方向角θmax

θmax愈大，油石的切削作用愈強，生產率愈高，但加工粗糙度較差。因此，珩拋初加工時θmax宜選大些，取25°；珩拋終加工時 θmax宜選小些，取 15°。 當 θmax選定后，要使vs（或f、a）與vg的比值符合已經選定的θmax角。

2.2.2 磨頭往復運動速度vs

磨頭往復運動速度愈高，單位時間內磨粒的切削長度愈長，切削作用愈強，因而加工效率高。但磨頭往復運動速度卻受到磨頭和工藝系統動剛度的限制，速度過高可能使工件表面出現振紋，會降低表面光潔度。試驗證明：珩拋初加工磨頭往復運動速度vs取44.9 m/min，珩拋終加工磨頭往復運動速度vs取31.7 m/min較合理。

2.2.3 磨頭工作行程a

磨頭工作行程a愈大，切削作用亦愈強，但磨粒形成的網紋軌跡愈粗，對提高表面光潔度不利。試驗證明：珩拋初加工宜選大些，a=240mm；珩拋終加工宜取小些，a=180mm。

2.2.4 磨頭圓周速度vg

圓周速度vg愈高，切削角θ愈小，磨粒的切削作用減弱，加工效率降低，對提高表面光潔度有益。但圓周速度也不宜太高，否則,會引起工藝系統振動，反而使表面光潔度變差。合理值：珩拋初加工vg=96.3 m/min，珩拋終加工vg=118.2 m/min。

2.2.5 油石壓強p

壓強較大時，切削作用較強，加工效率較高。但如壓強過大，磨粒容易劃傷工件表面，表面光潔度變差。壓強過小，油石自勵性能差，不僅切削作用差，加工效率低，而且磨粒易鈍化，對表面光潔度產生不利影響。試驗證明：珩拋初加工取20 bar(1bar=0.1 MPa)，珩拋終加工取35 bar較合理。

2.3 珩拋加工油石參數的確定

珩拋加工過程中，油石既要有切削作用，又要有拋光性能。因此珩拋加工選用的油石合適與否很重要。

2.3.1 確定油石材質

油石磨料種類的選擇，需根據工件材料選定［4］。由于本氣缸套材料含鉻、鉬、鋁、錳等金屬元素，待加工表面又經過離子氮化處理，表面金相組織特殊，考慮到化學元素分子間的親和作用及各化合物的相互影響，選用碳化硅作為本珩拋加工磨料較合適。

2.3.2 確定油石粒度

油石粒度太粗影響珩拋表面質量，但油石粒度太細會降低加工效率。因此，確定油石粒度時，須綜合權衡多方因素的利弊。

2.3.3 確定油石磨料結合劑

油石粘結劑有陶瓷、樹脂、聚乙烯等多種，考慮到本氣缸套材料化學成分的特殊性及待珩拋加工表面處理狀態，宜選用陶瓷粘結劑。

2.3.4 確定油石硬度

根據“以軟克硬”理論，加工離子氮化處理后（硬度很高）的氣缸套內表面，需選用硬度低一些的油石，使磨鈍了的磨粒快點脫落，以便油石經常保持有銳利的磨粒在工作，并要求同一根油石上各處硬度應均勻，硬度差不能超過8 HRC。

綜上所述，通過多次工藝試驗，選用切削性能好而且物理性能優越、化學性質非常穩定的油石SCK180S18VS和EKK600LE14-17Ba，分別用于珩拋初加工和珩拋終加工。

2.3.5 確定油石尺寸

由于油石在珩拋過程中既起磨削作用，又起導向作用，油石的尺寸越大，搭接部分越長，與工件的接觸面積也越大，參加切削的磨粒就多，對孔的修磨作用會越好，而且加工精度及切削效率亦愈高。但是，若油石尺寸太大就難以保證其與工件在全長上的良好接觸。

由于本氣缸套精度要求較高，為保證珩拋加工后氣缸套內孔有較高的圓柱度，經過計算，將油石長度確定為250 mm。

油石的寬度對保證工件內孔的圓度有較大的影響，寬的油石對減小表面波度有利，但若油石過寬，則使工件回轉方向上油石兩側的切削作用差別增大，因而油石兩側的磨削不均勻。通過反復試驗，油石寬度確定為10 mm。

2.4 珩拋加工油石修磨

使用油石時應將其修整成與工件直徑大小一致的圓弧，以保證與被加工氣缸套內孔表面有較好的接觸。修整時，將磨頭裝在磨床兩頂尖之間，由磨床主軸帶動磨頭回轉，用粗顆粒砂輪將油石修成圓弧面。

2.5 珩拋加工冷卻潤滑液的確定

冷卻潤滑液對珩拋加工的質量影響很大。其主要作用是沖洗切屑和脫落的磨粒，并在油石和工件之間形成油膜以自動控制切削過程。所以，不僅要求有良好的潤滑性能，而且要求油性穩定，無分解腐蝕作用［4］。經試驗驗證，選用嘉實多HONILO 980冷卻潤滑液較理想。在珩拋加工時配置循環系統，可使冷卻潤滑液得到不斷過濾凈化。

3 珩拋工藝技術主要工序

珩拋加工是在數控設備Z800-180上進行的，如圖2所示。

3.1 加工工序安排

由于珩拋加工余量很小，而氣缸套內孔精度要求較高，須先完成珩拋準備工序，再進行珩拋加工，才可形成理想的珩拋工作表面。

▲圖2 珩拋加工設備（主要工作部分）

3.2 珩拋準備工序

經過反復論證，將珩拋準備工序分為粗珩、精珩兩步完成，具體加工過程如下。

（1）粗珩：采用D181金剛石砂條，在30～32 bar壓力條件下，加工100 s左右，即切削掉0.02 mm左右加工余量，修正氣缸套內孔磨削留下的形狀公差，形成適合后續精珩的基本工作表面。

（2）精珩：采用D126金剛石砂條，在30 bar壓力條件下，加工80 s左右，即切削掉0.015 mm左右加工余量，修正粗珩留下的加工痕跡，形成適合后續珩拋加工的基本工作表面。

3.3 珩拋加工過程

上述準備工序完成后，將珩拋工序分為初加工和終加工兩個加工階段，并在雙進給磨頭上同時安裝兩種油石，既可完成兩個工步的工作內容，又可消除重復裝夾定位誤差的影響,最終形成理想的珩拋內孔表面。具體加工過程如下。

（1）珩拋初加工（從廣義上講，此階段屬于珩磨階段）：在前述所設定的主要工藝參數等條件下加工20 s左右，即切削掉珩拋加工余量（0.005～0.01 mm）的90%左右，可全部消除精珩工序留下的加工痕跡，修正氣缸套內孔的形狀公差，形成精度較高的圓柱形內孔和適合珩拋終加工所需的表面粗糙度。

（2）珩拋終加工（從廣義上講，此階段屬于拋光階段）：在前述所設定的主要工藝參數等條件下加工80 s左右，即切削掉其余的珩拋加工余量，進一步修正珩拋初加工留下的氣缸套內孔表面缺陷，形成精度很高的圓柱形內孔，使加工表面達到鏡面標準。

4 珩拋超精加工機理分析

反復試驗發現，珩拋超精加工機理非常復雜，但基本可分為3種加工狀態，即：切削狀態、半切削狀態和鏡面拋光狀態。

在切削狀態下，磨粒切削刃鋒利，油石氣孔沒有堵塞，磨出的表面上有無數相當明顯的切削痕跡，表面無光澤。

在半切削狀態下，脫落的磨粒與切屑堵塞了油石表面上的部分氣孔，部分磨粒的切削刃開始鈍化，從而使油石切削能力下降。但由于部分磨粒脫落，油石表面上露出了一些新的磨粒，這些新的磨粒切削刃參加切削。因而，加工表面的切削痕跡較淺，具有較暗的光澤。

在鏡面拋光的加工狀態下，油石表面的氣孔被堵塞，沒有磨粒脫落的痕跡，油石表面變成很光潔的表面。這時，鈍化了的磨粒拋光工件表面，加工表面上無切削痕跡，達到鏡面標準。

試驗結果證明，p、vg、f、a、θ 等工藝參數對珩拋加工狀態均有較大影響，其中，油石壓強p是最重要的。如果p選得過低，在切削狀態下，只能切去表面粗糙度的“山峰”的一部分，轉入到半切削狀態后，油石的切削作用減弱，無能力切去余下的粗糙度的“山峰”，因而在工件表面上留下上工步的加工痕跡。相反，若壓強p選得過高，超過臨界壓強，則在切去表面上的“山峰”后，油石的磨粒仍具有切削作用，直到將加工余量切完，工件表面仍達不到鏡面要求。只有將壓強p選定在上述“臨界壓強”附近，才會使加工狀態自動地由切削狀態轉到半切削狀態，進而轉到鏡面拋光狀態，使加工表面達到鏡面標準。

5 珩拋加工內孔表面質量

5.1 加工表面粗糙度

表1列出了隨機抽取的10件經珩拋加工的氣缸套內孔表面質量情況。由表中數據可見，表面粗糙度值均在0.045 μm以下，與普通珩磨加工一般所達到的最高表面粗糙度0.2 μm相比，其效果相當好。

5.2 氣缸套表面磨損

氣缸套表面的耐磨性是非常重要的技術指標，它影響發動機的工作性能。為驗證珩拋加工后氣缸套內孔的工作性能，在某型號柴油機上進行了500 h耐久性臺架考核試驗。試驗結果證明，珩拋加工后的氣缸套內孔表面工作狀況良好，磨損量非常小（經500 h考核試驗后，“平均磨損量”僅為0.002 5 mm），沒有發現劃傷與異常磨損痕跡，無穴蝕情況，完全滿足整機各項技術指標及可靠性要求。

5.3 珩拋加工技術分析

通過上述實驗分析可知，珩拋加工技術對于難加工材料的薄壁內孔件的加工，是非常有效的加工方法，使加工表面可以獲得很小的粗糙度值，有效提高零件的耐磨損性能，其主要原因如下。

（1） 磨粒具有規則的運動軌跡，且能在加工過程中從切削作用過渡到光整拋光，在工件表面上留下的磨痕非常淺，可以得到很高的光潔度。

（2）由于磨痕呈規則交叉網紋狀，且非常細密，很有利于油膜的形成，其耐磨性比普通珩磨和內孔磨削的表面更高。

（3）可以修正零件內孔形狀公差，形成精度很高的圓柱形內孔。

（4）由于油石在加工過程中作往復運動，磨粒的切削方向發生規律性改變，因此磨粒破碎的機會多，自勵性好，故切削效率很高。

表1 珩拋加工后氣缸套內孔表面質量情況

6 結束語

綜上所述，通過科學制定工藝方案，合理確定珩拋加工工藝參數（切削方向角、油石壓強、磨頭往復運動速度、工件圓周速度等），優選珩拋加工油石（材質、粒度、結合劑、硬度、尺寸等）及冷卻潤滑液，可獲得優越的薄壁、高度強化零件超精加工表面。

“珩拋”加工技術作為先進制造技術，可以明顯提高零件表面的物理力學性能，改善零件表面的應力分布狀態，大幅提高零件摩擦副的抗疲勞強度、耐磨性及抗腐性，從而改善柴油機清潔度，提高柴油機有效功率，降低油耗，減小噪聲，縮短磨合期，延長其使用壽命，是改善柴油機整機性能的有效途徑。在有效提高高強度鋼質零件內孔表面質量方面具有推廣價值及發展潛力，汽車、內燃機等零件的一些高精度內孔表面超精加工均適合采用該技術。

［1］ 朱廷福,張會文.發動機主要零件的加工工藝和設備 (六)［J］.組合機床與自動化加工技術,1997（8）.

［2］ 候家駒.機械制造工藝學 ［M］.北京:機械工業出版社，1991.

［3］ 韋清芳.薄壁純鐵零件制造工藝技術［J］.工具技術，2008（12）.

［4］ 趙如福.金屬切削加工工藝人員手冊［M］.上海：上海科學技術出版社，1992.