机械零件表面精整与光饰
2007-07-31 阅读次数:
 

 

兵器工业新技术推广研究所 (北京100089) 吕德隆

摘要:机械零件表面精整与光饰加工技术适用范围非常之大,广泛用于机床机械、印刷机械、纺织机械、医疗器械、汽车、摩托车、电子电器、五金工具、仪器仪表、铸造、锻造焊接、冲压、压铸等各种不同材质的中小型异型零件的光整加工。研发生产出效率高、质量好、多工位控制、自动化程度高的新一代光整加工设备。机械零件表面精整与光饰加工技术将会普及到各行各业,产生巨大的经济效益和社会效益。

关键词:机械零件,表面,精整与光饰

中图分类号: TH17                    文献标识码:A

机械零件投入机械加工的每张图纸都有去毛刺的技术要求,去毛刺工序,工艺人员往往无法编制工艺文件,通常采用锉刀、布轮、砂布、砂带等办法来去除毛刺。随着科学技术的进步和生产的发展,人工去毛刺已不能适应现代市场竟争的产品质量和生产方式的要求,光整加工技术逐步取代了传统的去毛刺工艺,而且越来越被人们所重视,目前有些先进企业机械零件的精整与光饰已被技术人员编入图纸技术要求的内容,并形成了标准工序。

各种机械加工,无论是切削加工,还是铸造、锻造、冲压等加工,几乎都不可避免在零件表面留下一定的缺陷,如表面不平、凸棱明显、刀痕波纹、飞边、毛刺、微观裂纹等。这些缺陷直接影响到零件的外观质量及使用性能,严重造成整机质量及性能指标下降。然而,只需增加一道光整加工工序就能解决这些问题。经过几年来的实验分析、生产验证和大量的工艺试验研究结果,凡应用机械零件的精整与光饰加工技术均可达到以下技术指标:

1.可靠地去除零件的机械加工毛刺,倒圆锐边与尖角;

2.有效地清除铸件、锻件和热处理件表面的残渣、杂质及氧化皮;

3.在原基础上细化零件加工表面粗糙度1-2级;

4.改善零件表面层应力状态,形成抗疲劳破坏的均匀压应力值;

5.改善零件表面层金相组织状态,提高表面显微硬度,形成耐磨损、抗疲劳的致密金属层;

6.提高零件清洁度,完成传动件的初期磨损,改善整机部分性能指标,缩短整机磨合期40%以上;

7.降低工艺成本,减轻工人劳动强度,提高生产效率,无污染,便于机械化和自动化生产。

各种各样的产品零件需要相适应的精整与光饰加工方法,下面介绍几种先进的精整与光饰加工方法。

 

一.自由磨具表面光整加工技术

 

    自由磨具表面光整加工技术包括旋流式、离心式、叉轴式、卧式四大系列,及十几种机型及相应的磨料磨液辅料,经数百种机械零件的精整与光饰的工艺试验研究,取得了较好效果。取得了较好的经济效益和社会效益。

1.自由磨具光整加工效果的实验研究

滚磨光整加工是将被加工零件置于盛有磨块和磨剂等介质的滚筒中,在复杂的相对运动下,游离状态的磨块始终以一定的压力对零件表面进行碰撞、滚压及微量磨削,从而细化表面粗糙度,去除加工毛刺和表面微观缺陷,改善表面物理机械性能,达到提高零件表面质量和改善使用性能的目的。当设备选定后,还必须确定合适的磨块种类、装入量、混合比、加工时间等参数才能获得理想的光整加工效果。影响光整加工中工件的质量和效果各因素有关。

磨块特性包括:磨块的形状、尺寸大小、表面粒度、材质配比、烧结硬度及含沙量等。光整加工时要根据被光整零件的材料及要求,认真选择相对应的磨块特性;混合比是指磨块、磨剂、水和工件的混合比例。在使用离心机进行光整加工时,装入量(指磨块、磨剂、水和工件的总量)和工件比尤其重要。一般情况下,保证在光整加工过程中,磨块始终包容着每个被光整加工的零件;磨剂是根据被光整加工零件的材料(钢、铜、铝、不锈钢等)和要求来分种类。零件的材料不同所选的磨剂的种类也不相同。

    

3.自由磨具光整加工注意事项

    在推广应用滚磨光整加工过程中,如果用户对该技术缺乏全面性的了解,势必导致光整效果较差,光整效率明显下降,由此造成实用经济性很差。下面把光整前、中、后的零件处理方法,提供给广大用户参考。滚磨光整加工技术的实用工艺过程是:

    除油处理→光整加工及去毛刺→分选→清洗→烘干→防锈处理

    1)除油处理:光整前的零件要进行彻底除油处理,常采用超声波清洗方法效果最佳。如果工件上油污进入,磨块切削力明显减弱,磨剂作用会降低、光整效果、效率下降,光整后的零件表面不光亮。

2)光整加工:光整加工主要是根据被光整零件件的结构形状、尺寸大小及光整要求选择或确定设备形式、设备规格、工艺用料、工艺参数等内容。一般情况下,这些内容可参照表5及工艺指导来进行,也可参考其它具体文献的介绍。

    3)光整加工后处理包括三方面:磨块与工件的分选、磨块与工件的清洗及工件的脱水防锈。

    磨块与工件的分选常用方法有:手工筛选、机械筛选、振动筛选、手工电磁分选和传送带式磁力分选,可根据实际情况选用。磨块与工件的清洗采用超声波清洗方法最佳,再用清请水冲洗干净,要特别注意工件的脱水烘干和防锈处理。

大量工艺试验发现,工件经滚磨光整加工后表面光洁铮亮,其表层的活跃金属分子赤裸暴露在空气中很快氧化变黑,继而生锈,原因清洗后留在零件表面上的水膜形成了电化学腐蚀所必须的一层电解质溶液。水的电离度虽小,但仍可电离成H+ 和[OH] -,这种电离过程随温度升高而加快。同时水中还溶解有CO2、SO2等,都极易与水结合。

    H2O→H+ + [OH]-

    CO2 + H2O→H2CO3→H+ + [HCO3]-

铁和铁中的杂质浸泡在有H+、[OH]-和[HCO3]-等多种离子的溶液中一样,形成了腐蚀电池,铁是阳极、杂质是阴极。一般情况下,水膜里含有氧气,阳极上的铁被氧化成Fe2+离子,在阳极上获得电子的是氧,然后与水结合成[OH]-离子。腐蚀反应为:

           2 Fe+ O2+2 H2O=2Fe(OH)2

由此看来,光整前除油处理和光整后的脱水烘干、防锈处理是非常必要的,二者缺一不可,其方法也很多。脱水烘干通常采用工业型甩干机,防锈油用主要成份是羊毛脂,石油磺酸钡,石油磺酸钠及助剂。

 

4.自由磨具光整加工技术应用前景

机械零件的精整与光饰加工技术适用范围非常之大,广泛用于机床机械、印刷机械、纺织机械、医疗器械、汽车、摩托车、电子电器、五金工具、仪器仪表、铸造、锻造焊接、冲压、压铸等各种不同材质的中小型异型零件的光整加工。但光整加工又不是万能的,比如,由于刀具不锋利和进刀量大造成的卷边,不能用光整加工来解决上道工序遗留的类似问题。考虑到用户对光整技术的认识、接收、承受能力有一个过程,目前生产的十多种机型,还满足不了生产节拍的需要,并存在效率不高、自动化程度低、外型不美观、结构欠精巧等各种各样的问题。高校与研究所合作,相信在较短时间内,一定会研发生产出效率更高、质量更好、多工位控制、自动化程度高的新一代光整加工设备投入市场。不久的将来,光整机加工技术会普及到各行各业,产生巨大的经济效益和社会效益。

二.磨粒流抛光

原理:在磨粒流加工过程中,夹具配合工件形成加工通道,两个相对的磨料缸使磨料在这个通道中来回挤动(如图1)。磨料均匀而渐进地对通道表面或边角进行研磨,产生抛光、倒角作用。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

机床、磨料和夹具是磨粒流加工的三个要素:

1. 挤压研磨机床:其作用是固定工件和夹具,控制挤出压力。在一定的压力作用下,使磨料研磨被加工表面,得到去毛刺、倒角的效果。机床压力范围从7~224 kg/cm2

2. 磨料:是由一种具有粘弹性、柔软性和切割性的半固态载体和一定量磨砂拌和而成。不同载体的粘度、磨砂种类、磨粒大小,可以产生不同的效果。常用磨料类型有:碳化硅、立方氮化硼、氧化铝和金钢砂。砂粒尺寸在0.005~1.5mm。高粘度磨料可用于对零件的壁面和大通道进行均匀研磨;低粘度磨料用于对零部件边角倒圆和小通道进行研磨;

3. 夹具:使零件定位,并引导磨料到达被加工部位,堵住不需要加工的部位。

要顺利完成零件的磨粒流加工,得到最佳加工效果,影响因素很多,除设备以外,还包括磨料的选择、挤压力的大小、循环次数、夹具的合理设计等。

优点:挤压研磨是对金属材料进行微量去除,对零件内腔交叉部位去毛刺并倒圆,达到精细加工的目的。磨粒流加工具有精确性、稳定性和灵活性。广泛用于汽车业和各种生产制造业。它最根本的优点是:可以通达零件复杂而难以进入的部位;抛光表面均匀、完整;批量零件的加工效果重复一致。这些加工特点使零件性能得到改善,寿命延长,同时减免繁杂的手工劳动,大大降低劳动强度。如汽车进气管,手工抛光其内表面时,只能先切割开,抛光后再焊接起来。而用磨粒流加工方法,不需要切割打开就可以完成内表面抛光。除了作为一种抛光手段,磨粒流工艺还可以对一些表面形状公差、质量要求极其严格的零件进行微量磨削加工。

应用:磨料流加工适用于加工不同的零件和尺寸。小至0.2mm的小孔或1.5mm直径的齿轮,大至50mm直径的花键通道,甚至1.2m的透平叶轮。加工大型零件的机床可以装置回旋臂或输送轨道。

该工艺已广泛用于汽车零部件的精加工:进排气管、进气门、增压腔、喷油器、喷油嘴、气缸头、涡轮壳体和叶片、花键、齿轮、制动器等。如:粗糙的气缸头铸造件在专门的二工位磨粒流生产线上,每小时生产量可达到30件,粗糙度从Ra4μm或Ra5μm达到Ra0.4μm,可使废气排放量减少7%,发动机功率增加6%,行驶里程数增加5%。

近年来研制开发出的微孔磨粒流机床,在加工喷油嘴方面独树一帜。它根据挤出压力、磨料温度和粘度之间的关系,进行复杂的程序运算。加工过程中,当喷油嘴的设定流量到达时,加工即自动停止。加工时间在10秒左右,流量散差可控制在±1%。与此加工设备配套的还有流量测试仪以及高压清洗设备。这些设备可根据用户需要,提供单工位或多工位的。也可以是带机械手连接,包括加工、测量、清洗的全套系统。

 

三.电化学去毛刺

零件内通道相交处粗糙并带有毛刺一直是令人头痛的问题。电化学去毛刺是解决这些问题的好方法。这一技术是用成形工装,对工件的选定部位进行加工,接通电流的电解液在工件和工装之间通过,瞬间溶解毛刺,去毛刺的同时,在内通道相交处产生均匀、精确的倒圆边角。加工时间一般在10秒到30秒之间。大多数工件采用多个电极头工装,可以达到更高的工作效率。去除量取决于工件(正极)和工装(负极)之间电流量的大小。电极头通常设计成与工件表面相对称的形状。对金属材料制成的零件自动地、有选择地完成去毛刺作业。它可广泛用于气动、液压、工程机械、油嘴油泵、汽车、发动机等行业不同金属材质的泵体、阀体、连杆、柱塞针阀偶件等零件的去毛刺加工。

电化学去毛刺是一种有特色,效率高的生产技术,适宜加工各种金属零件,用以去毛刺,成形机加工,边角倒圆、精整。铸造的、锻造的、机加工,或电火花加工的零件都可以用电化学的方法抛光。去除量在0.01mm到0.5mm之间。一般情况,光洁度可改善5到10个数量级。抛光后的产品表面均匀光滑,而且镜样闪亮。

电化学抛光的典型应用包括:有高纯净度要求的零件;人体手术植入件;瓶模;以及各种各样的不锈钢零件。如:电解加工柴油机喷油嘴零件时,在中孔处加工出一个壁面光滑的定量空腔,同时对交叉孔道、边角倒圆。

美国的电解自动去毛刺设备,具有一小时能加工成百件产品的能力。在电化学去毛刺的自动系统上加工汽车用安全气囊装置上的壳体,每个壳体上共有48个小孔,8个壳体同时加工,10秒钟以内完成所有孔的去毛刺加工。

电化学去毛刺是模具工业生产中的重要工艺装备,是工业产品批量生产的有效工具。目前模具的成型工艺,采用铣削、电火花、线切割、电铸等方法已经普及。但是加工出来的模具表面光洁度只有▽5至▽6,采用高水平的电加工机床也只能达到▽9至▽10级,有更先进的设备加工能基本达▽12以上,但它的机床设备昂贵并加工时间要数几倍。所以,抛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抛光时间跟不上要求。电化学机械抛光,同时结合SD1型独有的液体抛光技术,应用于各种复杂形状的金属模具的零件,收到了极佳效果。这项抛光技术得到北京市模具行业专家的一致好评。专家们认为这项抛光技术填补了国内空白,抛光效率高,效果好,型腔达到镜面要求,缩短模具制造周期,比手工抛光效率高十倍以上,解决了异型面、勾糟的抛光难关,为模具制造者带来了福音。

1.电化学去毛刺的原理

化学抛光是利用金属电化学阳极溶解原理进行修磨抛光。将电化学预抛光和机械精抛光有机的结合在一起,发挥了电化学和机构两类抛光特长。它不受材料硬度和韧性的限制,可抛光各种复杂形状的工件。其方法与电解磨削类似。导电抛光工具使用金钢石导电锉或石墨油石,接到电源的阴极,被抛光的工件(如模具)接到电源的阳极。

电修磨抛光机可用来修磨抛光各种复杂开头的零件和模具,不受材料的硬度所限制。

(1)经电火花加工后的型腔模具,基表层产生由溶化层和热影响层组成的硬化层硬度高达60~70HRC。钳工手工打磨非常困难。电修磨抛光能有效地去除这层“硬化层”,并将原表现为Ra4~7um的粗糙度改善为Ra0.35~0.6um,生产率为每平方厘米3分钟左右。

(2)用它来修磨抛光复杂形状,特别是模具的窄缝、沟糟、角部、根部以及内孔等能明显地提高劳动生产率。

(3)电修磨也可用来去除不锈钢和耐热合金复杂形状或薄壁零件机械加工后残剩的毛刺,并将其锐边倒平,提高表面光洁度。

(4)电解抛光在其表面产生一种极薄的一小层黑膜,再用8000~2000转、min的多功能软轴机械抛光器夹上适当的毡轮,略涂一点绿油膏进行表面抛光,即可产生光亮的表面。其光洁度还可提高二级以上。另外这种机械软轴手柄可夹上相应的工具进行钻、铣、磨、雕、切、抛光等作业,使用十分灵活方便。

 

2.电化学去毛刺机

电化学去毛刺机。修磨抛光使用220V单相电源,输出电压0~30V无级可调,最大输出电流可达20~100A。设有电解液喷吸自动循环系统,水流量大小可调。

1)将电解液晶体溶解在自来水中(1:10)注意要整包一次性冲溶,不能分零调溶,充分搅均后倒入电解液控制循机箱的防腐槽内。

2)把输出脉动电源的正极接到预抛光工件上(接触有磁钢自动吸住,把负极接到工作手柄上,有鳄鱼夹自动夹住),根据被抛工件的形状选择基本相似的造金钢石导电锉或导电石墨油石。

(3)按上开机电源,再按喷液开关,电解液即从导电锉中心小孔喷出,然后轻轻接触被抛工件或模具上作往复移动或打小孤圈运动。电流一般调节在7~8A。这样工件就产生阳极溶解,淬火高炭钢的什锦锉钢齿仅需几十秒钟就能抛得光亮而平整。

4)电化学去毛刺机抛光的去除量为加工电流和加工时间成正比。

在一定的加工电流下,抛光时间较长表面粗糙度改善也较好。加工面积3cm2原始表面粗糙度Ra5~7um的T8试样为例:

大量试验和生产实践表明对于▽4~▽5的电火花加工表面,经过1分钟/cm2左右的电化学修磨抛光,硬化层已基本去除。但要提高到▽8左右必须3min/cm2左右。

 

四.含磨料研磨刷内孔光整加工技术

 

机械零件进行内孔去刺光整加工,是现代产品生产过程中不可缺少的先进工艺,在不改变零件原有尺寸精度的前提下研磨刷去毛刺抛光加工。去毛刺抛光研磨刷可去除机械零件深孔、交叉相关孔、同心大小孔相连处在加工过程中产生的毛刺,提高零件品质,是机械加工工艺必要,经济,高效率的方法。

含磨料尼龙丝是新型抛光研磨刷材料,尼龙丝中均匀掺入氧化铝或碳化硅等磨料。根据加工要求。含磨料尼龙丝具有优良的记忆特性和弯曲恢复能力;遇水、油其性能几乎不受影响,并对大多数化学品抗腐蚀。

含磨料尼龙丝相当于同等数量的柔性锉刀,在加工零件时,可任意弯曲,自然贴合到工件内孔轮廓上,进入沟槽、裂缝等一般工具难以进入的地方,将毛刺去掉,锐边倒钝为光滑均匀的圆弧,达到去毛刺、刃口钝化和表面精整加工的理想效果。

含磨料抛光研磨刷可用于液压件的转向泵和液压阀内孔(包括转子、定子、配油盘、阀孔、泵体内腔孔及连接平面),例如对发动机的磨擦副零件(包括曲轴内孔、凸轮轴内孔、活塞内孔、各种齿轮、轴瓦等)进行光整加工后,即可获得明显效果。

含磨料研磨刷还可用于电镀,涂层加工前,金属表面的精整加工,铝型材表面,切断面的精整加工,牛仔布打磨,磨毛机使用。

含磨料研磨刷去毛刺抛光加工特点:

1.有效去除零件表面加工后的毛刺、飞边,进行棱边倒圆、除锈、去氧化皮等。

2.在原有基础上能提高零件表面粗糙度等级1-2级。

3.使零件表面的物理机械性能得到明显改善和提高,如消除表面应力集中及微观裂纹、提高表面硬度、增加耐磨层厚度、改善零件使用性能、延长疲劳寿命。

改善零件的外观质量及装配性能,提高整机质量和清洁度指标,完成传动件的初期磨损,缩短整机的出厂磨合时间。

 

 五.

 

热能去毛刺是一种特种加工技术,具有效率高,通用性强,可达性好,去除毛刺均匀、干净,工件表面光滑等特点,且不受工件、材料、形状及毛刺部位的限制。可用于黑色金属、有色金属以及热塑性塑料等非金属材料的工件去除毛刺,清理压铸件、塑压件的飞边,以提高工件内腔清洁度和产品质量。故广泛适用于汽车、拖拉机、摩托车、液压等机械行业的生产中。

热能去毛刺机是以燃气(H2或CH4)和氧气为主要介质,通过两者的热化学作用产生瞬时高温,工件在差动加热规律的作用下,毛刺及金属屑立即熔化,富氧使其继续氧化变为氧化灰,沉积于工作表面,从而取得满意的去毛刺效果。

1.热能去毛刺原理

热能去毛刺方法,是利用高温清除零件的毛刺和飞边。被加工零件置于密封燃烧腔内,将可燃气体(天然气/甲烷/氢气)和氧气按一定比例、一定压力充入腔内,可燃气体包裹零件的里外以及毛刺、飞边,密密充斥零件内、外部、孔内,甚至盲孔里面。由火花塞点燃气体,瞬间产生燃点以上的高温。由于毛刺、飞边高于零部件表面,当温度急剧上升到毛刺、飞边自燃点以上时,小体积的毛刺、飞边燃烧。毛刺燃烧至工件主体,温度迅速降到自燃点以下时,腔里多余的氧气和毛刺混合化为氧化粉尘。这一过程很短,仅足以将毛刺、飞边烧掉,而不至于影响到工件本身。燃烧后,落在工件的所有表面上的毛刺和飞边的氧化残留物可以用溶剂清洗掉。

优点:热能去毛刺具有去除毛刺、飞边而又不影响和损伤工件的尺寸或金相结构的特点。热能方法可以去除零件任意部位的毛刺,包括手工无法到达的部位、零件内孔交接处,甚至盲孔里的毛刺。它优于手工去毛刺的是:

1. 加工后不需要检验是否有未去除和未除净的毛刺,效果可靠而且效率高;

2.  可以处理多种材料:锌、铝、铜、钢、不锈钢、铸铁,以及热熔塑料等零件;

3. 相类似的零件,即使尺寸略有不同,也可以放在一起处理;对于尺寸不同的零件,只需稍微调整某些加工参数,甚至不用改变时间就能进行处理;

4.        使生产成本大大降低,并保证了零件的质量和寿命。

六.精整与光饰加工技术应用前景

 

机械零件的精整与光饰加工技术适用范围非常之大,广泛用于机床机械、印刷机械、纺织机械、医疗器械、汽车、摩托车、电子电器、五金工具、仪器仪表、铸造、锻造焊接、冲压、压铸等各种不同材质的中小型异型零件的光整加工。但光整加工又不是万能的,比如,由于刀具不锋利和进刀量大造成的卷边,不能用光整加工来解决上道工序遗留的类似问题。考虑到用户对光整技术的认识、接收、承受能力有一个过程,目前生产的十多种机型,还满足不了生产节拍的需要,并存在效率不高、自动化程度低、外型不美观、结构欠精巧等各种各样的问题。高校与研究所合作,相信在较短时间内,一定会研发生产出效率更高、质量更好、多工位控制、自动化程度高的新一代光整加工设备投入市场。不久的将来,机械零件的精整与光饰加工技术会普及到各行各业,产生巨大的经济效益和社会效益。

 

 

 

作者简介:

兵器工业新技术推广研究所 (北京100089)

 

吕德隆高级工程师

北京8917信箱              邮编100089。

地址:北京车道沟10号科技楼708

电子信箱:LVDL50@163.COM

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兼职

中国发明协会会员          北京机械工程学会理事

北京机械工程学会材料分会秘书长




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