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鋁合金平面研磨精度及產生劃痕的研究
閱讀：294 發布時間：2022-10-19鋁合金平面研磨精度及產生劃痕的研究
研磨是一種重要的精密機械加工工藝，目前在我國的量具、儀器、機床、航空以及汽車零部件等各行業的制造、裝配和修理工作中應用非常廣泛。研磨時利用磨具和磨料的相對運動，從工件表面去掉一層極薄的金屬，從而使金屬表面達到較高的尺寸精度、較小的表面粗糙度和幾何誤差的加工方法。由于平面研磨具有加工成本低、表面質量好、加工效率高等優點，因而在批量生產中得到了推廣和應用，成為生產加工中的一種重要方法。在平面研磨的過程中，磨料的特性、研磨液配比、磨盤平面度、旋轉速度、頂盤壓力以及現場環境等因素，對產品研磨表面質量都有影響。而研磨面的好壞直接影響著產品的質量、性能和成本。本文通過試驗分析方法，從不同角度研究產生研磨劃痕的原因和影響平面度達不到精度要求的因素。
行星式平面研磨運動是見的用于平面研磨機構中的方式，如圖1所示。大多數情況下是研磨盤以設定的轉速主動旋轉，轉速是已知的，工件由壓頭工裝壓向磨盤，壓頭限制了工件的移動，懸浮在磨盤的上表面，靠研磨切削力帶動工件并隨磨盤轉動，從而得到所需表面質量的研磨產品。
行星輪的自轉是通過工件中心與磨盤中心之間的距離隨時間周期性變化的。這種研磨方式，工件轉速不等于研磨盤轉速，其值隨研磨盤轉速的增大而基本成線性增大，但其與磨盤轉速之比卻隨磨盤轉速的增大而下降。
在研磨鋁合金工件時，被磨表面出現了很深的劃痕（如圖2所示），該劃痕在合格產品驗收中是不可接受的。同時，被研磨表面的平面度要素，也有很多超差及不穩定現象。如圖3，通過三坐標測量出的零件被磨表面的平面度大部分離超差線（8μm）很近，并且有很多零件因平面度精度達不到要求直接導致報廢。
為了解決以上問題，分別針對性地進行試驗分析，試驗磨料采用碳化硅研磨粉和水基懸浮劑。研磨液中粉、油、水的比例為1：1：10，并排除研磨液和其他因素的影響。
2.1 研磨劃痕產生的原因及試驗分析工件研磨后，出現了兩類劃痕：一類是軌跡規整平滑（圖2中a處）；另一類則是在個別樣件中出現了雜亂無章的細碎劃痕（圖2中b處）。其中，類劃痕是符合零件與磨盤相對運動的軌跡，且劃痕寬度與深度均大于研磨液中研磨粉末的顆粒尺寸。所以，這種劃痕不是由研磨液中研磨粉末造成的，而是由磨屑和雜質顆粒造成。這些磨屑在研磨時不易折斷，研磨液也不能及時從工件表面上沖走，從而隨研磨粉一起嵌入被磨表面，通過磨盤和零件的相對運動，在表面劃出較深的溝痕。這種表面劃傷，導致了工件需要返修或直接報廢，生產的進度和節拍被嚴重滯后。所以，在生產中要盡量避免這種磨屑的混入，并保證在研磨過程中能夠將其及時排除。而另一種是由于研磨粉敷散不均勻而導致的細碎劃痕，對產品無嚴重影響。為分析磨屑對研磨面產生的影響大小，在保證其他條件不變時，通過固定轉速和固定壓力進行試驗，如表1為轉速壓力試驗及結果。
固定轉速試驗：當壓力小時，磨屑劃入工件的深度較淺，但不易排除，容易隨研磨液附著在研磨表面，產生的劃痕數量相對較多；當壓力大時，磨屑劃入工件的深度較深，大部分磨屑通過排屑槽被擠壓排除，產生的劃痕數量相對較少。所以，在壓力較小的情況下，造成多而淺的劃痕；而壓力增大時，造成了少量但較深的劃痕。
固定壓力實驗：當轉速低時，劃痕多；轉速高時，劃痕少。這是因為轉速低時，零件與研磨盤相對運動速度較慢，零件對研磨液中的磨屑顆粒沖擊相對小一些，磨屑較易附著于研磨表面，且不易脫落；轉速提高后，零件與研磨盤相對速度高，零件對磨屑顆粒的沖擊也隨之增大，磨屑容易脫落，因而劃痕相對少一些。通過研磨試驗及其效果的對比，其轉速和表面壓力對研磨表面產生劃痕有一定影響，但不是產生劃痕的根本原因，調節轉速和壓力無法從根本上解決劃痕問題。其根本原因是：研磨過程中產生的磨屑顆粒對研磨表面的劃傷，但磨屑顆粒在研磨過程中又是一個無法避免的問題。只能從它產生的根源處進行預防，以及在研磨過程中及時地將產生的雜質顆粒進行排除，從而獲取質量較高的研磨表面。其磨屑顆粒主要來源于零件自身磨削脫落、零件表面黏附、研磨液中混入以及外界環境混入等方面，除了零件自身磨削脫落外，其他因素在生產中都可盡量避免。而維護設備，及時將排屑槽清理干凈，使盤面保證一個較好平坦度會有助于磨盤排屑。
被研磨表面的面形精度的好壞，直接決定著產品的品質，對裝配和使用影響極大，而研磨工藝中平面度的不可控，直接影響到量產質量，對產能來說，是致命硬傷。通過實際的生產經驗和測量跟蹤結果顯示（如表2），工件的平面度變化直接受到研磨盤平面度變化影響，是決定工件表面精度的重要因素。因為研磨盤經過一段時間研磨后，由于磨損強度不均勻會導致磨盤不平整，就造成同批次的產品，在研磨后平面度的質量參數不一致。
因此，需要對研磨盤進行相應的修整，讓磨盤表面保持在較平整的水平進行研磨加工。而盤面平面度變化無法通過人的肉眼觀察，需要操作者定期通過平面度儀，對盤面的平面度進行一個比較測量，來評價掌握磨盤表面的質量好壞。而當盤面平面度變化到一定程度時，就必須對磨盤進行修盤，否則，研磨出的產品平面度數值就會如圖3那樣不可控。修盤時，磨盤的直徑越大，盤面修平的困難度就越大。所以，磨盤的大小選擇，應在保證產能的情況下，盡可能小，從而方便修盤。修盤可通過調整設備機構擋架，來調節擋環的重心位置，對磨盤修盤。通過修盤經驗的總結，平面度儀測量出的盤面為凸時，將擋環重心靠近磨盤回轉中心，內移修盤；當盤面為凹時，將擋環重心遠離磨盤回轉中心，外移修盤。由于在批量生產中，研磨零件數量多，盤面的平面度變化很快。因而在修盤時，既要保證質量，還要盡量減少修盤的時間耗費。根據生產經驗，主要從以下兩個方面著手：一是生產保持磨盤的均勻磨損；二是加壓修盤（如圖4）可大幅減少修盤時間。保證每次研磨產品前，磨盤的平面度穩定在一個較好的水平，確保加工質量。
生產完畢后，通過制定科學的修盤工藝，維持研磨盤的平面度在一定的水平（平面度在5μm左右）進行生產，對現場批量生產的質量非常重要。當盤面受控時，被磨表面的平面度數據也表現得非常好，如圖5所示。
3 均勻磨損理論據Preston方程，磨具的磨損量與接觸區壓強、工件和磨具的相對運動速度以及加工時間有關，即：
式中：△V為磨具磨損量，α為磨具和工件材料、研磨工藝參數等有關的比例系數；p為零件與磨具表面的接觸區壓強；v為磨具與工件間的相對運動速度；T為加工時間。因此，根據Preston方程，磨盤與工件間接觸區的壓強分布和相對運動速度是影響磨盤均勻磨損以及保證磨盤和工件面形精度的主要因素。
通過對磨盤結構參數的調整、加工時增大偏心距或對稱分布研磨，保證零件與磨盤接觸區域的壓強均勻分布。使磨盤面與被磨表面穩定接觸并保持平行，使參與研磨的每個工件在不同時刻所承擔的載荷均勻，有利于磨盤的均勻磨損。而且，兩接觸面之間的相對運動速度與磨盤的轉速有關。在研磨過程中,磨盤以已知的轉速主動旋轉,工件浮在它的上面,靠研磨切削力帶動并隨磨盤轉動,轉速是未知的。在研磨的過程中，磨料和磨屑會在旋轉過程中隨研磨液一起甩出，新的研磨液作為補充又不斷注入。所以，可以通過適當增加研磨壓力和轉速來提高加工效率。具體的工藝參數，需要針對特定的產品，在生產過程中按照科學的方法進行摸索總結，是長期的經驗累積，與工藝條件和操作者的技藝有著密切關系。