新的精密珩磨加工工艺

　　一直以来，珩磨工艺的发展受着多种因素的影响，如：珩磨前的预加工、零件材料的特性、零件工艺性能要求、加工公差以及零件不断小型化的发展趋势等，这些要求推动了珩磨技术近几年来的快速发展。由于珩磨具有较好的适应能力，因此成为当前最具发展潜能的孔件加工手段之一。本文着重介绍了几种新的珩磨技术在汽车发动机制造领域中的应用。

　　同轴珩磨

　　载重汽车柴油发动机缸壁上部进行局部硬化后需要进行珩磨，而同轴珩磨技术就是针对这一要求而开发的。

　　缸壁上部在经过感应淬火后，孔的上部会产生20μm的缩颈和大约60μm的同轴度偏差现象。为了确保缸孔的同轴度，特殊结构的刀具、测量装置和涨刀控制方式应运而生。

　　● 加工方式和结果

　　同轴珩磨的刀具(如图1所示)上装有两套独立的径向涨刀装置，分别作用于砂条和导向条。位于刀具下端的硬质合金导向条进入缸孔后，首先被涨出并贴靠在预加工过的缸壁下端，珩磨头在轴线方向上进行轴线定位。然后刀具上部的金刚石砂条随之涨出，开始加工孔中硬化过的缩颈区域。由于砂条和导向条的径向进给是两个独立的涨刀机构，因此当液压涨刀系统使导向条贴靠孔壁后，电子机械涨刀系统才驱动砂条开始径向进给。

　　珩磨头上同样具备两套气动测量装置。孔中未硬化区域的直径被作为基准尺寸，由气动测量装置一直进行在线测量。在珩磨加工硬化区域孔时，由另外一套气动测量装置对加工孔进行在线测量。当硬化区域孔直径与基准值一致时即停止切削。使用D151金刚石砂条加工120～150μm的余量时，同轴珩磨的加工时间大约为35s。

　　经过这道同轴珩磨加工后，硬化过的和非硬化过的区域直径差被修正(如图2中第2个孔)，达到可进行后续珩磨加工的公差要求。同轴珩磨后总的形状误差大约为12μm，由此可确保同轴珩磨后的粗珩和精珩加工(如图2 中第3、4两孔)，这两道工序属于传统的珩磨加工，可按常用的加工参数和方式进行。

　　适用于小孔径的σ珩磨

　　随着许多高科技产品的日益小型化，与之相应的小型化加工技术被赋予越来越高的要求，尤其是在喷油系统领域的珩磨加工，不仅要求在大批量生产中能够尽可能地延长刀具的使用寿命，同时，由于直喷式泵嘴喷油系统(UIS)具有2000bar的工作压力，工件表面还要形成一个定义的对抗张力。在这种工作条件下运行的零件要承受非常大的流体机械压力，因此除了几何精度的要求外，还要求工件加工表面的边缘层具有较高的耐用度，同时，还要避免由于高压的影响而产生表面裂纹。

　　以前，珩磨加工造成工件表面应力状态的改变并不为人们所知。砂条在与工件表面接触时会对工件表面的边缘表层组织施加压应力和剪应力(如图3所示)。对于零件性能来说，珩磨造成的定义工件表面压力是非常有益的，它使零件不仅具有较高的耐用度，并且能够避免由于高压的影响而产生表面裂纹。对于工作中需要承受高压的喷油系统来说，这些是十分重要的。

　　● 刀具的构造

　　对于超小孔径工件的珩磨加工，一直以来都是刀具设计者所面临的一大挑战，因为随着工件孔径的不断减小，在刀头上安装涨刀机构的可能性也在不断减小。除此之外，若不使用金刚石或CBN砂条，工件的尺寸和形状精度与经济性的同时实现几乎是不可能的。

　　使用单砂条珩磨头目前可加工的是最小孔径为2mm(如图4所示)。该珩磨头的内部装有一个可沿轴向运动的涨刀顶椎，与之配合的砂条(长6mm，宽0.8mm，模料厚度0.4mm )可相应地做径向涨刀运动。珩磨头(刀背)的反面涂有耐磨的硬质涂层，用来导向。珩磨时为了保证能够供给充足的珩磨油，通常在珩磨头上根据珩磨头的旋转方向磨有一个特殊的导油平面。

　　珩磨加工孔径小于2mm的刀具被称作珩磨杆，这种刀具呈管状形，并带有纵向开槽(如图5所示)。这种刀具不配砂条，而是直接在刀杆上电镀磨料，磨料的镀层长度应该保持在开槽的长度之内。加工直径1～2mm的孔时，珩磨杆的涨刀由一个涨刀顶椎来实现;加工直径1mm以下的孔时(最小直径0.8mm)，就只能通过珩磨杆的机械预张力来贴压孔壁。因此，要求珩磨杆和孔之间具有很高的同轴度(< 0.01mm)，而且这种情况下必须采用一个弹性的偏向珩磨杆接头，而不能采用万向铰接刀杆接头。

　　● 加工的目的

　　图3中是一个由硬质钢制成的燃油喷射系统中的零件。在这个零件上需要珩磨一个斜着通向洋葱形槽的高压油孔。珩磨加工的目的是去除硬化过的边缘表层组织，贴近基体金属(加工余量通常稳定在0.020mm)，并在边缘表层造成内应力(-1000～-1200MPa，如图6所示)，光整表面(≤ 5μm Rmax)，同时还要对斜孔和洋葱形槽接口处进行修圆。珩磨后的形状精度在尺寸公差之内(≤0.010mm)。这时，一根标准厚度的CBN砂条通常可加工至少600个孔。

　　在大批量生产中一般都是使用几台多轴珩磨机，每道珩磨工序的珩磨时间大约为25s。由于采用了带涨刀压力传感器的电子机械涨刀装置，所以珩磨前的加工余量变化对于珩磨加工没有影响。由于砂条厚度的原因，人们又开发了一种新的磨料，使得现在一根砂条可加工2000个孔。

　　工件内部的压应力和张应力是通过X光衍射测量仪来测量的。该测量仪根据工件边缘表层的晶格间距变化来判定内应力。晶格常数(工艺材料的特性值)的偏差就代表了压应力和张应力。珩磨后要求工件边缘表层的压应力应低于-1000 MPa, 这样工件才能具有较高的抗疲劳强度。

　　小孔珩磨加工技术除了加工工艺以外，也是对刀具设计和磨料发展的一个挑战。小孔珩磨除了传统的珩磨加工精度要求外，也第一次将压应力列入到珩磨质量评定标准里。在珩磨加工中，对压应力的考虑将会逐渐被人们重视起来。

　　GGV蠕虫状石墨铸铁的珩磨

　　汽车发动机零部件的重量越来越轻，但材料的强度却没有降低，这得益于一种新型工艺材料——蠕虫状石墨铸铁(GGV)在大功率柴油发动机中的应用。由于加工成本适中，这种工艺在小批量的轿车柴油发动机生产中得到了广泛的应用。

　　● 蠕虫状石墨铸铁的特性

　　石墨结构是蠕虫状石墨铸铁的一个显著特征，该结构更能提高材料的机械性能。一个短且大的横断面石墨结构使得铸铁具有很高的强度，因为铁质组织被紧密地连结在一起形成一个整体。蠕虫状石墨铸铁的许多材料特性介于片状石墨铸铁和球墨铸铁之间，抗拉强度比片状石墨铸铁高70%，E系数高30%。

　　● 珩磨加工中对蠕虫状石墨铸铁的切削

　　蠕虫状石墨铸铁属于很难切削的一种材料，但如果选用适合的切削刀具其切削也是可以实现的，甚至把现有的切削换成高速切削加工也是可以实现的。

　　刀具在加工过程中很容易被磨钝，使得刀具的切削特性发生改变，最终导致加工质量的变化，这是由于切削力大幅度提高后变成了挤压切削，破坏了工件表面的表层结构，导致了工件表面粗糙度的改变以及尺寸和形状精度的下降，极大地降低了珩磨前的加工质量。

　　与精镗相反，珩磨加工的刀具没有特定的刀刃，而是硬质磨粒的集合，砂条上具有由金刚石或CBN晶体和粘结材料组成的硬质磨料。经过专业设计的砂条本身具备持续的自开刃功能，使得砂条不必进行专门的修整。

　　砂条之所以具有自开刃功能，是由于磨粒的磨损率和粘结材料的磨损率一样，从而确保磨粒的凸出高度可以保持恒定，也就确保了砂条的切削特性。这个等同的磨损率必须覆盖砂条的整个工作表面，并且这种恒定状态要持续到砂条磨完(如图7所示)。

　　若将砂条工作表面放大，我们可以明显看到凸起的磨粒和粘结材料上局部的磨沟。由于反切削作用，粘结材料上被留下了如掘蚀过的河床般的痕迹，从而在各个磨粒晶体间形成了一个微观的沟槽和洼地网。磨粒的磨损是由磨钝到碎裂或脱落。

　　通过砂条参数的改良，使得加工蠕虫状石墨铸铁的砂条寿命(即珩后表面质量和珩磨时间)达到了加工片状石墨铸铁的水平。其它刀具在加工时会由于磨损而逐渐变钝，而金刚石或CBN珩磨砂条却会根据磨损产生持续相应的自开刃，从而保持了砂条的开刃和形状。

　　● 蠕虫状石墨铸铁的大量珩磨切削(粗珩)

　　实现珩磨切削的高切削效率的重要前提是超硬的磨料和很高的切削速度(大约200m/min)。金刚石砂条在这方面具有一定的优势，由于其硬度高、导热性好、颗粒密度小并使用高硬度的粘结剂进行粘结，切削效率可达到17cm3/min。

　　图8是大量珩磨切削和精镗加工效果的比较。可以看出，在切削效率方面两者基本相同，但通过改变砂条磨粒密度、粘结剂的硬度以及砂条的尺寸，可以使砂条的寿命达到可加工4000个孔。

　　● 刀具和夹具方案

　　要达到精镗所能达到的垂直度精度和位置精度，进行大量珩磨切削时，珩磨头和工件之间就不能有常规的自由度，因此，就需要有固定的主轴布置并对缸体曲轴箱进行定位夹紧。通过定位销孔的作用，可使缸体相对珩磨主轴达到足够的精度，通过珩磨头的上置和下置导向装置可确保珩磨头的垂直精度。此外，因为采用双万向铰接连刀杆，使得珩磨主轴和缸体的相对轴线错位得到修正。图9为对GGV的加工结果。

　　在大量珩磨切削时，砂条先从孔径最小的地方开始珩磨切削，然后逐渐扩展到对整个缸壁面的珩磨切削。因为在周向上各个位置的切削量不同，从而使缸孔形成一个和珩磨头中心轴线一样的中心轴线，因此也需要采用步进式涨刀装置。

　　● 蠕虫状石墨铸铁的精珩

　　以往小批量生产加工的经验证明蠕虫状石墨铸铁的精珩加工和片状石墨铸铁的精珩加工基本上没有什么区别。

　　在使用可比的砂条颗粒大小下和片状石墨铸铁珩磨后相比，由于蠕虫状石墨铸铁具有很高的强度和硬度，因此珩后的粗糙度在允许公差范围内偏小，表面支撑率却偏大，而片状石墨铸铁珩磨却位于公差带的中间值。