磨料性質對柴油機滾磨加工的影響磨料性質對柴油機滾磨加工的影響 2018/12/18 摘要：介紹了滾磨光整加工，并就磨料性質對柴油機滾磨光整加工的影響進行了研究。應用滾磨光整技術對柴油機凸輪軸進行加工，通過試驗分析了磨料各種性質對滾磨光整加工效果的影響，所做研究可以促進滾磨光整加工的發(fā)展。關鍵詞：柴油機滾磨光整加工磨料1柴油機概述隨著工業(yè)技術的飛速發(fā)展，大中型設備的生產制造、傳遞輸送變得越來越廣泛，柴油機以扭矩大、熱效率高和經濟性好的特性廣泛應用于大中型設備的動力系統(tǒng)，并且隨著一大批先進技術的發(fā)展，如電控直噴、共軌、渦輪增壓、中冷等，在小型柴油發(fā)動機行業(yè)的應用也更加廣泛。柴油機在節(jié)能減排方面的優(yōu)勢，是包括汽油機在內的所有熱力發(fā)動機都無法取代的，作為綠色發(fā)動機，柴油機在轎車產業(yè)也受到越來越廣泛的關注1-2，大有取代汽油機的趨勢。柴油機結構如圖1所示。要發(fā)揮出柴油機的優(yōu)異性能，組成柴油機的關鍵零部件，如曲軸、凸輪軸、齒輪、噴油嘴等有至關重要的作用。而隨著柴油機工作壓力的不斷增大，用戶對柴油機各個零件的強度也提出了更高的要求。因此，如何提高這些關鍵零部件的表面質量，尤其是機械加工質量，是決定柴油機整機可靠性和使用壽命的關鍵。以傳動齒輪為例，傳動齒輪的表面粗糙度每提升一個等級，將會延長齒輪20%30%的壽命。柴油機關鍵零部件滾磨光整加工可創(chuàng)造良好的經濟效益，并對柴油機的發(fā)展、環(huán)境友好型社會的實現(xiàn)帶來不可估量的社會價值3-4。2滾磨光整工藝概述為提高柴油機零部件的表面物理性能，在機械加工中常采用表面熱處理、拋光和時效處理等多道工序，但這種組合處理方式存在工藝復雜、加工時間長、質量不均勻等問題5。為解決柴油機零部件表面處理存在的問題，筆者選擇滾磨光整加工工藝對柴油機部分零部件進行處理。滾磨光整加工工藝將工件以一定的狀態(tài)浸入盛有加工介質的容器中，通過工件、磨料或者兩者同時產生相對運動的方式，使工件和磨料之間產生滾壓、刻劃等微量磨削復雜運動形式，進而改變工件接觸表面的幾何特征，達到改善工件的表層物理性能，提高工件表面粗糙度、整機使用性能，延長工件和整機使用壽命的目的6-8。滾磨光整加工工藝方式主要有回轉式和振動式，如圖2所示。滾磨光整加工工藝不僅可以避免傳統(tǒng)加工方法工件表面熱處理、拋光和時效處理等的復雜工藝，以及加工時間長的弊端，而且能在提升工件表面粗糙度等級的同時，消除殘余應力，完成工件的預磨損。由于獨特的全方位加工方式，能夠適應不同形狀、尺寸工件的處理，從而輕松實現(xiàn)各類工件的大批量連續(xù)加工9-10。影響滾磨光整加工效果的因素很多，找到最優(yōu)化的參數(shù)匹配并總結相應的規(guī)律，具有極其重要的價值。滾磨光整加工效果影響因素如圖3所示11-13。滾磨光整加工中的磨削介質由磨液和磨料兩部分組成，由于磨液在滾磨光整加工中主要起潤滑和清理切屑的作用，對工件表面加工質量的影響不大，因此筆者主要研究磨料特性對滾磨光整加工效果的影響。在對相同工件進行滾磨光整加工時，由于加工表面物理性能幾乎相同，因此滾磨光整加工的質量主要與磨料特性和滾磨光整加工時間有關。在滾磨光整加工中，隨著加工時間的延長，工件表面粗糙度值達到一定程度后并不會有明顯變化。因此，在相同的加工時間內，合理選擇磨料，成為柴油機曲軸、凸輪軸等零部件滾磨光整加工質量的最主要影響因素。3磨料特性分析滾磨光整加工主要實現(xiàn)工件與磨料之間的磨削運動，這一磨削運動由工件、磨料之間的相對旋轉運動和往復運動組成。在磨削運動的作用下，工件與磨料之間形成螺旋運動，產生相對作用力，對工件表面進行修飾，降低工件表面粗糙度值，完成零部件關鍵位置的初磨損。在對工件表面反復滾磨光整加工時，會在工件表面形成交叉網紋，這種交叉網紋可以在較大程度上降低工件表面粗糙度值，改善工件表面的晶格結構，提升工件表面性能和使用壽命。雖然工件與磨料的相對運動較為復雜，但是工件和磨料均沿滾筒方向呈現(xiàn)螺旋運動，由此可簡化為工件與滾筒作相對矢量運動。交叉網紋的形成過程如圖4所示。圖4中，Vc為工件相對于滾筒的軸向速度，Vf為工件沿滾筒的徑向速度，Va為工件沿滾筒內壁的切向速度，V為工件相對滾筒運動的合速度。工件相對滾筒運動的合速度V由工件相對于滾筒的軸向速度Vc、工件沿滾筒的徑向速度Vf、工件沿滾筒內壁的切向速度Va三者疊加組成，其大小應滿足下式：由于在滾磨光整加工中，工件沿滾筒的徑向速度Vf變化近乎為零，因此可忽略不計，則式（1）簡化為：工件相對于滾筒的軸向速度Vc與滾筒運行周期n及滾筒的半徑r滿足如下關系：由式（5）和式（6）可以得出結論：作滾磨光整運動的工件相對滾筒運動的合速度V由工件沿滾筒內壁的切向速度Va和滾筒半徑r共同決定；在滾筒半徑r一定的前提下，如何加快工件沿滾筒內壁切向速度Va是滾磨光整加工中的關鍵。在光整加工中，工件隨磨料進行螺旋運動，工件的切向速度由磨料碰撞、擠壓生成，磨料形狀、尺寸將直接影響對工件碰撞和滾壓的程度，因而研究磨料的相關參數(shù)對研究工件沿滾筒內壁的切向速度Va有重要意義。滾磨光整加工中所用的磨具，一般是由耐磨性基材與耐腐蝕結合劑經特殊工藝制成的顆狀體，統(tǒng)稱為磨料。磨料作為主要的滾磨光整加工介質，是影響工件表面滾磨光整加工效果的主要因素。滾磨光整加工中，磨料對工件表面應具有一定的磨削能力，并且耐磨損、耐腐蝕。除此之外，磨料和工件一直浸泡在水和磨劑組成的混合液中，要求磨料致密性好、吸水率低，同時具有耐水、耐油、耐酸堿的性能。由于材質的不同，磨料可分為高溫燒結型、樹脂磨料、金屬磨料等，具體分類、性能及適用性見表1。磨料由各種不同的研磨材料直接制成，或者添加結合劑燒結而成，最終成型的磨料其形狀及尺寸規(guī)格多種多樣，表2列出了部分常用磨料的形狀及尺寸規(guī)格。在滾磨光整加工中，同一材質、同一粒度的磨料由于形狀不同，會造成加工后的工件表面粗糙度值有較大差別。經試驗驗證，在眾多的磨料形狀中，圓球體磨料滾磨光整加工后的工件表面質量最好。隨著磨料棱角的增多，接觸點變得尖銳，工件加工后的表面質量變差，工件的表面粗糙度值變大。如要求加工后的工件表面粗糙度值小或光亮度好，應選擇圓球體磨料。筆者試驗選定兩種尺寸三種磨料粒度共六種不同的剛玉圓球體磨料，編號為準3FS、準3MS、準3RS、準4FS、準4MS和準4RS，進行工件表面滾磨光整加工。F、M、R表示磨料的不同粒度，其中F表示磨料粒度為300目，M表示磨料粒度為240目，R表示磨料粒度為80目。采用回轉式自由磨具滾磨光整設備，光整時間為20min，滾磨光整效果對比如表3、圖5所示。對準3FS、準3MS和準3RS三組試驗結果進行對比分析，三種磨料之間的變量僅為構成磨料的材料粒度有所差異，因而可以得出結論，在同等的加工條件下，磨料的材料粒度對工件表面粗糙度值的影響幾乎為零。準4FS、準4MS和準4RS三組試驗結果也驗證了這一結論的正確性。通過對準3FS和準4FS、準3MS和準4MS、準3RS和準4RS試驗結果進行對比，可以看出，隨著磨料外形尺寸的增大，工件表面粗糙度值呈現(xiàn)增大的趨勢，這是由于隨著磨料外形尺寸的不斷增大，磨料自身質量和體積增大，磨料與工件之間的相對壓力值和接觸面積也增大，兩者之間的滑擦痕跡同樣增大，工件表面質量和表面粗糙度、光亮度均較磨料尺寸小時要差。為能更直觀地驗證上述結論，筆者對準3FS、準4FS磨料的加工效果進行對比，如圖6所示。對工件表面進行放大60倍處理，表面微觀對比如圖7所示。通過對比圖6、圖7，可以驗證結論：磨料尺寸越大，工件滾磨光整加工后的表面粗糙度值越大。4結束語滾磨光整加工技術是先進制造技術的重要組成部分，對進一步提高產品表面質量、生產效率、國際競爭力具有重要作用。滾磨光整加工技術可以促進我國模具、軸承、齒輪等基礎件質量的提高，大幅度提高產品的使用性能和競爭力，進而帶動整個制造業(yè)水平提升，獲得巨大的社會效益和經濟效益。參考文獻1邱松林.柴油機SCR控制器的設計D.合肥：合肥工業(yè)大學，2017.2鄭齊清.6300ZDZC柴油機工作過程仿真與試驗研究D.廈門：集美大學，2016.3徐丹.某柴油機EGR系統(tǒng)開發(fā)及優(yōu)化技術研究D.濟南：山東大學，2017.4喬芳.柴油機挺柱磨損分析及改進D.濟南：山東大學，2017.5林陳彪工程機械齒輪軸加工工藝分析與優(yōu)化J機電技術，2008（4）：42-446王浩程，張宏太，張德良，等離心研磨過程中磨料流態(tài)特征受傳動比影響的實驗和理論研究J金剛石與磨料磨具工程，2005（1）：65-68，74.7王友林，姜英.光整加工技術的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢J.礦山機械，2004（9）：93-96.8都春義，高云松，劉永平.表面滾磨光整加工的技術特征及發(fā)展趨勢J.機械管理開發(fā)，2012（3）：18-19，23.9袁躍龍.滾磨光整加工工藝數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的研究與開發(fā)D.太原：太原理工大學，2009.10劉迎春，沈曉陽，王頻臥式離心滾筒光磨機的力學分析與應用J天津輕工業(yè)學院學報，2002（2）：25-28.11王浩程，張宏太，張德良，等磨料流在離心研磨過程中運動特征的數(shù)值模擬J中國機械工程，2005，16（22）：1995-1998.13李長河，修世超，李琦，等.磨料噴射光整加工機理及在機械領域中的應用J.機械制造，2004，42（8）：18-21.葺