機械零件表面精整與光飾
2007-07-31 閱讀次數:
 

 

兵器工業新技術推廣研究所 (北京100089) 呂德隆

摘要:機械零件表面精整與光飾加工技術適用范圍非常之大,廣泛用于機床機械、印刷機械、紡織機械、醫療器械、汽車、摩托車、電子電器、五金工具、儀器儀表、鑄造、鍛造焊接、沖壓、壓鑄等各種不同材質的中小型異型零件的光整加工。研發生產出效率高、質量好、多工位控制、自動化程度高的新一代光整加工設備。機械零件表面精整與光飾加工技術將會普及到各行各業,產生巨大的經濟效益和社會效益。

關鍵詞:機械零件,表面,精整與光飾

中圖分類號: TH17                    文獻標識碼:A

機械零件投入機械加工的每張圖紙都有去毛刺的技術要求,去毛刺工序,工藝人員往往無法編制工藝文件,通常采用銼刀、布輪、砂布、砂帶等辦法來去除毛刺。隨著科學技術的進步和生產的發展,人工去毛刺已不能適應現代市場竟爭的產品質量和生產方式的要求,光整加工技術逐步取代了傳統的去毛刺工藝,而且越來越被人們所重視,目前有些先進企業機械零件的精整與光飾已被技術人員編入圖紙技術要求的內容,并形成了標準工序。

各種機械加工,無論是切削加工,還是鑄造、鍛造、沖壓等加工,幾乎都不可避免在零件表面留下一定的缺陷,如表面不平、凸棱明顯、刀痕波紋、飛邊、毛刺、微觀裂紋等。這些缺陷直接影響到零件的外觀質量及使用性能,嚴重造成整機質量及性能指標下降。然而,只需增加一道光整加工工序就能解決這些問題。經過幾年來的實驗分析、生產驗證和大量的工藝試驗研究結果,凡應用機械零件的精整與光飾加工技術均可達到以下技術指標:

1.可靠地去除零件的機械加工毛刺,倒圓銳邊與尖角;

2.有效地清除鑄件、鍛件和熱處理件表面的殘渣、雜質及氧化皮;

3.在原基礎上細化零件加工表面粗糙度1-2級;

4.改善零件表面層應力狀態,形成抗疲勞破壞的均勻壓應力值;

5.改善零件表面層金相組織狀態,提高表面顯微硬度,形成耐磨損、抗疲勞的致密金屬層;

6.提高零件清潔度,完成傳動件的初期磨損,改善整機部分性能指標,縮短整機磨合期40%以上;

7.降低工藝成本,減輕工人勞動強度,提高生產效率,無污染,便于機械化和自動化生產。

各種各樣的產品零件需要相適應的精整與光飾加工方法,下面介紹幾種先進的精整與光飾加工方法。

 

一.自由磨具表面光整加工技術

 

    自由磨具表面光整加工技術包括旋流式、離心式、叉軸式、臥式四大系列,及十幾種機型及相應的磨料磨液輔料,經數百種機械零件的精整與光飾的工藝試驗研究,取得了較好效果。取得了較好的經濟效益和社會效益。

1.自由磨具光整加工效果的實驗研究

滾磨光整加工是將被加工零件置于盛有磨塊和磨劑等介質的滾筒中,在復雜的相對運動下,游離狀態的磨塊始終以一定的壓力對零件表面進行碰撞、滾壓及微量磨削,從而細化表面粗糙度,去除加工毛刺和表面微觀缺陷,改善表面物理機械性能,達到提高零件表面質量和改善使用性能的目的。當設備選定后,還必須確定合適的磨塊種類、裝入量、混合比、加工時間等參數才能獲得理想的光整加工效果。影響光整加工中工件的質量和效果各因素有關。

磨塊特性包括:磨塊的形狀、尺寸大小、表面粒度、材質配比、燒結硬度及含沙量等。光整加工時要根據被光整零件的材料及要求,認真選擇相對應的磨塊特性;混合比是指磨塊、磨劑、水和工件的混合比例。在使用離心機進行光整加工時,裝入量(指磨塊、磨劑、水和工件的總量)和工件比尤其重要。一般情況下,保證在光整加工過程中,磨塊始終包容著每個被光整加工的零件;磨劑是根據被光整加工零件的材料(鋼、銅、鋁、不銹鋼等)和要求來分種類。零件的材料不同所選的磨劑的種類也不相同。

    

3.自由磨具光整加工注意事項

    在推廣應用滾磨光整加工過程中,如果用戶對該技術缺乏全面性的了解,勢必導致光整效果較差,光整效率明顯下降,由此造成實用經濟性很差。下面把光整前、中、后的零件處理方法,提供給廣大用戶參考。滾磨光整加工技術的實用工藝過程是:

    除油處理→光整加工及去毛刺→分選→清洗→烘干→防銹處理

    1)除油處理:光整前的零件要進行徹底除油處理,常采用超聲波清洗方法效果最佳。如果工件上油污進入,磨塊切削力明顯減弱,磨劑作用會降低、光整效果、效率下降,光整后的零件表面不光亮。

2)光整加工:光整加工主要是根據被光整零件件的結構形狀、尺寸大小及光整要求選擇或確定設備形式、設備規格、工藝用料、工藝參數等內容。一般情況下,這些內容可參照表5及工藝指導來進行,也可參考其它具體文獻的介紹。

    3)光整加工后處理包括三方面:磨塊與工件的分選、磨塊與工件的清洗及工件的脫水防銹。

    磨塊與工件的分選常用方法有:手工篩選、機械篩選、振動篩選、手工電磁分選和傳送帶式磁力分選,可根據實際情況選用。磨塊與工件的清洗采用超聲波清洗方法最佳,再用清請水沖洗干凈,要特別注意工件的脫水烘干和防銹處理。

大量工藝試驗發現,工件經滾磨光整加工后表面光潔錚亮,其表層的活躍金屬分子赤裸暴露在空氣中很快氧化變黑,繼而生銹,原因清洗后留在零件表面上的水膜形成了電化學腐蝕所必須的一層電解質溶液。水的電離度雖小,但仍可電離成H+ 和[OH] -,這種電離過程隨溫度升高而加快。同時水中還溶解有CO2、SO2等,都極易與水結合。

    H2O→H+ + [OH]-

    CO2 + H2O→H2CO3→H+ + [HCO3]-

鐵和鐵中的雜質浸泡在有H+、[OH]-和[HCO3]-等多種離子的溶液中一樣,形成了腐蝕電池,鐵是陽極、雜質是陰極。一般情況下,水膜里含有氧氣,陽極上的鐵被氧化成Fe2+離子,在陽極上獲得電子的是氧,然后與水結合成[OH]-離子。腐蝕反應為:

           2 Fe+ O2+2 H2O=2Fe(OH)2

由此看來,光整前除油處理和光整后的脫水烘干、防銹處理是非常必要的,二者缺一不可,其方法也很多。脫水烘干通常采用工業型甩干機,防銹油用主要成份是羊毛脂,石油磺酸鋇,石油磺酸鈉及助劑。

 

4.自由磨具光整加工技術應用前景

機械零件的精整與光飾加工技術適用范圍非常之大,廣泛用于機床機械、印刷機械、紡織機械、醫療器械、汽車、摩托車、電子電器、五金工具、儀器儀表、鑄造、鍛造焊接、沖壓、壓鑄等各種不同材質的中小型異型零件的光整加工。但光整加工又不是萬能的,比如,由于刀具不鋒利和進刀量大造成的卷邊,不能用光整加工來解決上道工序遺留的類似問題。考慮到用戶對光整技術的認識、接收、承受能力有一個過程,目前生產的十多種機型,還滿足不了生產節拍的需要,并存在效率不高、自動化程度低、外型不美觀、結構欠精巧等各種各樣的問題。高校與研究所合作,相信在較短時間內,一定會研發生產出效率更高、質量更好、多工位控制、自動化程度高的新一代光整加工設備投入市場。不久的將來,光整機加工技術會普及到各行各業,產生巨大的經濟效益和社會效益。

二.磨粒流拋光

原理:在磨粒流加工過程中,夾具配合工件形成加工通道,兩個相對的磨料缸使磨料在這個通道中來回擠動(如圖1)。磨料均勻而漸進地對通道表面或邊角進行研磨,產生拋光、倒角作用。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

機床、磨料和夾具是磨粒流加工的三個要素:

1. 擠壓研磨機床:其作用是固定工件和夾具,控制擠出壓力。在一定的壓力作用下,使磨料研磨被加工表面,得到去毛刺、倒角的效果。機床壓力范圍從7~224 kg/cm2

2. 磨料:是由一種具有粘彈性、柔軟性和切割性的半固態載體和一定量磨砂拌和而成。不同載體的粘度、磨砂種類、磨粒大小,可以產生不同的效果。常用磨料類型有:碳化硅、立方氮化硼、氧化鋁和金鋼砂。砂粒尺寸在0.005~1.5mm。高粘度磨料可用于對零件的壁面和大通道進行均勻研磨;低粘度磨料用于對零部件邊角倒圓和小通道進行研磨;

3. 夾具:使零件定位,并引導磨料到達被加工部位,堵住不需要加工的部位。

要順利完成零件的磨粒流加工,得到最佳加工效果,影響因素很多,除設備以外,還包括磨料的選擇、擠壓力的大小、循環次數、夾具的合理設計等。

優點:擠壓研磨是對金屬材料進行微量去除,對零件內腔交叉部位去毛刺并倒圓,達到精細加工的目的。磨粒流加工具有精確性、穩定性和靈活性。廣泛用于汽車業和各種生產制造業。它最根本的優點是:可以通達零件復雜而難以進入的部位;拋光表面均勻、完整;批量零件的加工效果重復一致。這些加工特點使零件性能得到改善,壽命延長,同時減免繁雜的手工勞動,大大降低勞動強度。如汽車進氣管,手工拋光其內表面時,只能先切割開,拋光后再焊接起來。而用磨粒流加工方法,不需要切割打開就可以完成內表面拋光。除了作為一種拋光手段,磨粒流工藝還可以對一些表面形狀公差、質量要求極其嚴格的零件進行微量磨削加工。

應用:磨料流加工適用于加工不同的零件和尺寸。小至0.2mm的小孔或1.5mm直徑的齒輪,大至50mm直徑的花鍵通道,甚至1.2m的透平葉輪。加工大型零件的機床可以裝置回旋臂或輸送軌道。

該工藝已廣泛用于汽車零部件的精加工:進排氣管、進氣門、增壓腔、噴油器、噴油嘴、氣缸頭、渦輪殼體和葉片、花鍵、齒輪、制動器等。如:粗糙的氣缸頭鑄造件在專門的二工位磨粒流生產線上,每小時生產量可達到30件,粗糙度從Ra4μm或Ra5μm達到Ra0.4μm,可使廢氣排放量減少7%,發動機功率增加6%,行駛里程數增加5%。

近年來研制開發出的微孔磨粒流機床,在加工噴油嘴方面獨樹一幟。它根據擠出壓力、磨料溫度和粘度之間的關系,進行復雜的程序運算。加工過程中,當噴油嘴的設定流量到達時,加工即自動停止。加工時間在10秒左右,流量散差可控制在±1%。與此加工設備配套的還有流量測試儀以及高壓清洗設備。這些設備可根據用戶需要,提供單工位或多工位的。也可以是帶機械手連接,包括加工、測量、清洗的全套系統。

 

三.電化學去毛刺

零件內通道相交處粗糙并帶有毛刺一直是令人頭痛的問題。電化學去毛刺是解決這些問題的好方法。這一技術是用成形工裝,對工件的選定部位進行加工,接通電流的電解液在工件和工裝之間通過,瞬間溶解毛刺,去毛刺的同時,在內通道相交處產生均勻、精確的倒圓邊角。加工時間一般在10秒到30秒之間。大多數工件采用多個電極頭工裝,可以達到更高的工作效率。去除量取決于工件(正極)和工裝(負極)之間電流量的大小。電極頭通常設計成與工件表面相對稱的形狀。對金屬材料制成的零件自動地、有選擇地完成去毛刺作業。它可廣泛用于氣動、液壓、工程機械、油嘴油泵、汽車、發動機等行業不同金屬材質的泵體、閥體、連桿、柱塞針閥偶件等零件的去毛刺加工。

電化學去毛刺是一種有特色,效率高的生產技術,適宜加工各種金屬零件,用以去毛刺,成形機加工,邊角倒圓、精整。鑄造的、鍛造的、機加工,或電火花加工的零件都可以用電化學的方法拋光。去除量在0.01mm到0.5mm之間。一般情況,光潔度可改善5到10個數量級。拋光后的產品表面均勻光滑,而且鏡樣閃亮。

電化學拋光的典型應用包括:有高純凈度要求的零件;人體手術植入件;瓶模;以及各種各樣的不銹鋼零件。如:電解加工柴油機噴油嘴零件時,在中孔處加工出一個壁面光滑的定量空腔,同時對交叉孔道、邊角倒圓。

美國的電解自動去毛刺設備,具有一小時能加工成百件產品的能力。在電化學去毛刺的自動系統上加工汽車用安全氣囊裝置上的殼體,每個殼體上共有48個小孔,8個殼體同時加工,10秒鐘以內完成所有孔的去毛刺加工。

電化學去毛刺是模具工業生產中的重要工藝裝備,是工業產品批量生產的有效工具。目前模具的成型工藝,采用銑削、電火花、線切割、電鑄等方法已經普及。但是加工出來的模具表面光潔度只有▽5至▽6,采用高水平的電加工機床也只能達到▽9至▽10級,有更先進的設備加工能基本達▽12以上,但它的機床設備昂貴并加工時間要數幾倍。所以,拋光是制造型腔模具的一道重要工序。它的成本占模具成本的5%~30%,急需使用的模具往往在拋光時間跟不上要求。電化學機械拋光,同時結合SD1型獨有的液體拋光技術,應用于各種復雜形狀的金屬模具的零件,收到了極佳效果。這項拋光技術得到北京市模具行業專家的一致好評。專家們認為這項拋光技術填補了國內空白,拋光效率高,效果好,型腔達到鏡面要求,縮短模具制造周期,比手工拋光效率高十倍以上,解決了異型面、勾糟的拋光難關,為模具制造者帶來了福音。

1.電化學去毛刺的原理

化學拋光是利用金屬電化學陽極溶解原理進行修磨拋光。將電化學預拋光和機械精拋光有機的結合在一起,發揮了電化學和機構兩類拋光特長。它不受材料硬度和韌性的限制,可拋光各種復雜形狀的工件。其方法與電解磨削類似。導電拋光工具使用金鋼石導電銼或石墨油石,接到電源的陰極,被拋光的工件(如模具)接到電源的陽極。

電修磨拋光機可用來修磨拋光各種復雜開頭的零件和模具,不受材料的硬度所限制。

(1)經電火花加工后的型腔模具,基表層產生由溶化層和熱影響層組成的硬化層硬度高達60~70HRC。鉗工手工打磨非常困難。電修磨拋光能有效地去除這層“硬化層”,并將原表現為Ra4~7um的粗糙度改善為Ra0.35~0.6um,生產率為每平方厘米3分鐘左右。

(2)用它來修磨拋光復雜形狀,特別是模具的窄縫、溝糟、角部、根部以及內孔等能明顯地提高勞動生產率。

(3)電修磨也可用來去除不銹鋼和耐熱合金復雜形狀或薄壁零件機械加工后殘剩的毛刺,并將其銳邊倒平,提高表面光潔度。

(4)電解拋光在其表面產生一種極薄的一小層黑膜,再用8000~2000轉、min的多功能軟軸機械拋光器夾上適當的氈輪,略涂一點綠油膏進行表面拋光,即可產生光亮的表面。其光潔度還可提高二級以上。另外這種機械軟軸手柄可夾上相應的工具進行鉆、銑、磨、雕、切、拋光等作業,使用十分靈活方便。

 

2.電化學去毛刺機

電化學去毛刺機。修磨拋光使用220V單相電源,輸出電壓0~30V無級可調,最大輸出電流可達20~100A。設有電解液噴吸自動循環系統,水流量大小可調。

1)將電解液晶體溶解在自來水中(1:10)注意要整包一次性沖溶,不能分零調溶,充分攪均后倒入電解液控制循機箱的防腐槽內。

2)把輸出脈動電源的正極接到預拋光工件上(接觸有磁鋼自動吸住,把負極接到工作手柄上,有鱷魚夾自動夾住),根據被拋工件的形狀選擇基本相似的造金鋼石導電銼或導電石墨油石。

(3)按上開機電源,再按噴液開關,電解液即從導電銼中心小孔噴出,然后輕輕接觸被拋工件或模具上作往復移動或打小孤圈運動。電流一般調節在7~8A。這樣工件就產生陽極溶解,淬火高炭鋼的什錦銼鋼齒僅需幾十秒鐘就能拋得光亮而平整。

4)電化學去毛刺機拋光的去除量為加工電流和加工時間成正比。

在一定的加工電流下,拋光時間較長表面粗糙度改善也較好。加工面積3cm2原始表面粗糙度Ra5~7um的T8試樣為例:

大量試驗和生產實踐表明對于▽4~▽5的電火花加工表面,經過1分鐘/cm2左右的電化學修磨拋光,硬化層已基本去除。但要提高到▽8左右必須3min/cm2左右。

 

四.含磨料研磨刷內孔光整加工技術

 

機械零件進行內孔去刺光整加工,是現代產品生產過程中不可缺少的先進工藝,在不改變零件原有尺寸精度的前提下研磨刷去毛刺拋光加工。去毛刺拋光研磨刷可去除機械零件深孔、交叉相關孔、同心大小孔相連處在加工過程中產生的毛刺,提高零件品質,是機械加工工藝必要,經濟,高效率的方法。

含磨料尼龍絲是新型拋光研磨刷材料,尼龍絲中均勻摻入氧化鋁或碳化硅等磨料。根據加工要求。含磨料尼龍絲具有優良的記憶特性和彎曲恢復能力;遇水、油其性能幾乎不受影響,并對大多數化學品抗腐蝕。

含磨料尼龍絲相當于同等數量的柔性銼刀,在加工零件時,可任意彎曲,自然貼合到工件內孔輪廓上,進入溝槽、裂縫等一般工具難以進入的地方,將毛刺去掉,銳邊倒鈍為光滑均勻的圓弧,達到去毛刺、刃口鈍化和表面精整加工的理想效果。

含磨料拋光研磨刷可用于液壓件的轉向泵和液壓閥內孔(包括轉子、定子、配油盤、閥孔、泵體內腔孔及連接平面),例如對發動機的磨擦副零件(包括曲軸內孔、凸輪軸內孔、活塞內孔、各種齒輪、軸瓦等)進行光整加工后,即可獲得明顯效果。

含磨料研磨刷還可用于電鍍,涂層加工前,金屬表面的精整加工,鋁型材表面,切斷面的精整加工,牛仔布打磨,磨毛機使用。

含磨料研磨刷去毛刺拋光加工特點:

1.有效去除零件表面加工后的毛刺、飛邊,進行棱邊倒圓、除銹、去氧化皮等。

2.在原有基礎上能提高零件表面粗糙度等級1-2級。

3.使零件表面的物理機械性能得到明顯改善和提高,如消除表面應力集中及微觀裂紋、提高表面硬度、增加耐磨層厚度、改善零件使用性能、延長疲勞壽命。

改善零件的外觀質量及裝配性能,提高整機質量和清潔度指標,完成傳動件的初期磨損,縮短整機的出廠磨合時間。

 

 五.

 

熱能去毛刺是一種特種加工技術,具有效率高,通用性強,可達性好,去除毛刺均勻、干凈,工件表面光滑等特點,且不受工件、材料、形狀及毛刺部位的限制。可用于黑色金屬、有色金屬以及熱塑性塑料等非金屬材料的工件去除毛刺,清理壓鑄件、塑壓件的飛邊,以提高工件內腔清潔度和產品質量。故廣泛適用于汽車、拖拉機、摩托車、液壓等機械行業的生產中。

熱能去毛刺機是以燃氣(H2或CH4)和氧氣為主要介質,通過兩者的熱化學作用產生瞬時高溫,工件在差動加熱規律的作用下,毛刺及金屬屑立即熔化,富氧使其繼續氧化變為氧化灰,沉積于工作表面,從而取得滿意的去毛刺效果。

1.熱能去毛刺原理

熱能去毛刺方法,是利用高溫清除零件的毛刺和飛邊。被加工零件置于密封燃燒腔內,將可燃氣體(天然氣/甲烷/氫氣)和氧氣按一定比例、一定壓力充入腔內,可燃氣體包裹零件的里外以及毛刺、飛邊,密密充斥零件內、外部、孔內,甚至盲孔里面。由火花塞點燃氣體,瞬間產生燃點以上的高溫。由于毛刺、飛邊高于零部件表面,當溫度急劇上升到毛刺、飛邊自燃點以上時,小體積的毛刺、飛邊燃燒。毛刺燃燒至工件主體,溫度迅速降到自燃點以下時,腔里多余的氧氣和毛刺混合化為氧化粉塵。這一過程很短,僅足以將毛刺、飛邊燒掉,而不至于影響到工件本身。燃燒后,落在工件的所有表面上的毛刺和飛邊的氧化殘留物可以用溶劑清洗掉。

優點:熱能去毛刺具有去除毛刺、飛邊而又不影響和損傷工件的尺寸或金相結構的特點。熱能方法可以去除零件任意部位的毛刺,包括手工無法到達的部位、零件內孔交接處,甚至盲孔里的毛刺。它優于手工去毛刺的是:

1. 加工后不需要檢驗是否有未去除和未除凈的毛刺,效果可靠而且效率高;

2.  可以處理多種材料:鋅、鋁、銅、鋼、不銹鋼、鑄鐵,以及熱熔塑料等零件;

3. 相類似的零件,即使尺寸略有不同,也可以放在一起處理;對于尺寸不同的零件,只需稍微調整某些加工參數,甚至不用改變時間就能進行處理;

4.        使生產成本大大降低,并保證了零件的質量和壽命。

六.精整與光飾加工技術應用前景

 

機械零件的精整與光飾加工技術適用范圍非常之大,廣泛用于機床機械、印刷機械、紡織機械、醫療器械、汽車、摩托車、電子電器、五金工具、儀器儀表、鑄造、鍛造焊接、沖壓、壓鑄等各種不同材質的中小型異型零件的光整加工。但光整加工又不是萬能的,比如,由于刀具不鋒利和進刀量大造成的卷邊,不能用光整加工來解決上道工序遺留的類似問題。考慮到用戶對光整技術的認識、接收、承受能力有一個過程,目前生產的十多種機型,還滿足不了生產節拍的需要,并存在效率不高、自動化程度低、外型不美觀、結構欠精巧等各種各樣的問題。高校與研究所合作,相信在較短時間內,一定會研發生產出效率更高、質量更好、多工位控制、自動化程度高的新一代光整加工設備投入市場。不久的將來,機械零件的精整與光飾加工技術會普及到各行各業,產生巨大的經濟效益和社會效益。

 

 

 

作者簡介:

兵器工業新技術推廣研究所 (北京100089)

 

呂德隆高級工程師

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