珩磨在深孔加工中的应用分析
2017-12-29 来源： 西部新锆核材料科技有限公司 作者：崔 顺，李中奎，张建军，文惠民
摘 要：主要介绍了几种常规的深孔加工技术，并着重介绍了珩磨在深孔加工中的应用方式，珩磨时珩磨油、油石、珩磨工艺参数的选择对珩磨工件的表面质量、加工效率都有很大的影响，合理选择加工工艺对珩磨产品至关重要。
关键词：珩磨；深孔加工；应用分析
目前常见的几种深孔加工方式主要有钻孔、镗孔、铰孔，但是加工产品的粗糙度值达不到 Ra0.2 um甚至更低的要求。珩磨加工由于采用浮动磨削，加工精度受机床本身精度影响较低，对于提高产品的表面粗糙度、孔的加工精度有很好的效果。
本文结合珩磨过程中油石、切削液、工艺参数的选择展开分析，讨论了不同的匹配参数会产生不同的加工效果，合理选择工艺参数对于产品的加工精度、加工效率有着重要的影响。
1 、深孔加工技术介绍
一般将孔的长度与直径之比大于 5 的孔称为深孔[1]，约占孔加工量的 40 %以上。深孔加工时，由于深孔刀具细长、刚性差、强度低，加工时容易引偏和振动，导致孔的轴线易歪斜，进而影响加工精度。
另外，刀具的散热条件差、切屑排除困难等，易划伤已加工表面，严重时还会引起刀具的崩刃至折断。目前，常见的深孔加工方法有以下几种：
（1）钻孔加工。
在工件的端面直接采用钻头刀具进行加工，钻杆导向架和床头箱的相对位置也会影响孔的精度。根据排屑方式的不同，主要分为内排屑、外排屑两种。常见的钻孔内排屑方式有：BTA 单管钻、喷吸钻系统。BTA 单管受钻杆内孔排屑空间的限制，主要用于直径﹥12 mm 的深孔钻削加工。
喷吸钻切削方式较 BTA 所需的切削液压力低。但加工时由于有内管，加工最小直径范围受到限制，主要用于直径＞18 mm的深孔加工。钻孔外排屑指的是切屑从钻杆外部排
出，通常适用于＜20 mm 以下的小孔加工，如枪钻孔、深孔扁钻、麻花钻等加工方式，最小加工孔直径可达1 mm.
（2）镗孔、铰孔加工。
由于钻孔刀具不能使工件内孔的粗糙度提高至 Ra3.6 um 甚至更低，需要对钻孔进行镗孔、铰孔处理。镗孔分为粗、精两次镗削加工，可提高加工精度，也保证了铰孔前的孔的尺寸和粗糙度要求。拆下镗孔用的镗刀头，换上铰刀，对于深孔加工起到光整作用，表面粗糙度值可以达到 Ra≤ 0.8 um 甚至更低，以便工件内表面获得更高的精度要求。
（3）珩磨加工。
在钻、镗、铰加工之后，如果还达不到规定的精度或粗糙度要求，就需要采用深孔精加工技术进行二次或者多次加工。二次加工由于受工件长度、孔径尺寸、工件刚度和刀杆刚度等因素的影响，加工难度较高。
珩磨加工由于采用浮动磨削，因而加工精度受机床本身精度的影响较小，越来越多的应用在深孔加工领域中，图 1 为珩磨加工原理图。
图 1 珩磨加工原理图
珩磨的加工原理：将工件安装在工作台上的夹具中，通过机床主轴带动珩磨头旋转并作轴向往复运动，珩磨头上的油石以一定的压力压在被加工表面上，从而切去工件上极薄的一层金属，以获得高精度表面。
其主要特点如下：
一是，加工精度高：当加工小直径孔时，孔的不圆度、锥度可达 0.5 ~ l um，直线度可达 1 um；加工中等直径孔（φ50 ~ φ20 mm）时，不圆度一般在 5 um 以下。
二是，加工表面质量好：珩磨加工的表面粗糙度可达 Ra1.2 um，采用强力珩磨时，表面粗糙度可达Ra0.2 um。
经过珩磨加工的零件，其表面形成一种有规则均匀而细密的交叉网纹，有利于润滑油的贮存和油膜的保持，并具有较高的表面支撑率，因而能承受较大的载荷，耐磨损。
此外，珩磨切削速度低，冷却液便于进人切削区，带走珩磨产生的大部热量，故被加工表面不会产生烧伤、变质层、裂纹等缺陷，适用于加工有相对运动的精密工件。
三是，加工范围广：珩磨几乎适用除铅以外所有材料的加工。它可用于各类孔的加工，如通孔、盲孔、阶梯孔、带沟槽孔等。此外，还能加工外圆柱面、平面、曲面及齿轮表面等。
珩磨可以加工孔的内径范围为 1 ~ 2 000 mm，长度 1 ~ 24 000 mm.
图 2 为某工程用管的加工图示意，由于内孔为φ25 mm 较小，且内部要求的粗糙度较高。常规的加工方法是：在深孔钻床上先钻、再通过拉铰的形式加工内表面，由于内孔上有 15°锥面台阶，所以必须加工完一端后再加工另一端，由于内孔存在台阶，再采用钻刀加工该锥面。但是，缺点是加工采用钻、铰形式，内表面的粗糙度值 Ra0.8 难以保证，且加工周期较长。由于珩磨能够直接加工阶梯孔，并且实现去除余量、提高内孔表面粗糙度的作用，故先采用成形刀具的钻孔一次加工成形，再珩磨不同直径的内孔、阶梯孔，可提高加工效率，并获取更高精度的产品。
图 2 为某工程用管的加工图示意
四是，珩磨余量大：采用强力珩磨时，珩磨的工作压力一般为 2 ~ 6 MPa [2]. 加工余量一般为 0.3 ~ 0.8mm，最大可达 1.1 mm[3].
2 、珩磨在深孔加工中的应用分析
深孔珩磨一般分为粗珩磨、精珩磨，同其它机械加工一样。每道工序都有最佳切削参数，正确选用珩磨参数，对珩磨的质量、效率、磨具及设备的使用寿命都有较大影响。
2.1 珩磨油石的选择
在深孔珩磨加工过程中，油石容易发生崩裂、破碎和脱落等现象，而产品工艺又要求油石不能硬度太高以免粘屑划伤工件表面，又不允许硬度太低而导致耐用度降低。珩磨油石的选择与机床性能、工件材质和硬度、加工余量等因素有关。具体选择时应考虑以下因素：
（1）珩磨油石的磨料主要有白刚玉、绿色碳化硅两个系列。粗珩时宜选用陶瓷结合剂的渗硫白刚玉，油石具有气孔率大，磨削效率高；渗硫处理能使油石在磨削过程中起到良好的润滑作用。精珩时宜选用绿色碳化硅油石，主要起抛光作用。
（2）油石粒度的选择与切削效率、加工表面粗糙度有关。油石的粒度越粗，珩磨后工件表面的划痕就越深越宽，表面粗糙度就越大，珩磨就越效率高。因此珩磨油石的粒度在满足表面粗糙度的前提下，尽量选择粗粒度的油石。深孔强力珩磨粗珩宜选 100~150 粒度的油石，精珩宜选 W40~W20 粒度的油石。不同的材料表面粗糙度与油石粒度的关系如表 1 所列。
表 1 不同的材料表面粗糙度与油石粒度选择表
（3）油石的硬度是指油石表面的磨粒在外力作用下脱落的难易程度。磨粒容易脱落的硬度低，不易脱落的硬度高，一般根据机床类型、被加工材料的性能和孔径变化来选择油石硬度。强力珩磨油石硬度比普通油石硬度要高，粗珩时选 K~M，精珩时选 D~J.表 2 为常见的油石硬度选用范围表。
表 2 常见的油石硬度选用范围表
2.2 切削液的选择
珩磨时要求切削液必须及时将切屑及脱落的磨粒冲走，同时油石和工件之间需要进行润滑。润滑性能低、化学性能差的切削液很易使切屑嵌人油石的基体中，进而会产生珩磨表面的划伤、出现裂纹，同时也缩短了珩磨油石使用时间。目前常见的切削液主要有：水基冷却液、珩磨油。不同的珩磨产品应需要不同的润滑方式。含硫的珩磨油可以消除上述的粘屑现象，不含硫的珩磨油通常在禁止使用添加剂的应用场所如航天航空等。
在珩磨时切削液应充足，并且还要经过过滤。过滤方式主要有：磁过滤、离心过滤两种方式，加工没有磁性的材料，如钛、锆合金，则需采用离心过滤的方式。对精度要求高的还应增加纸过滤。
2.3 珩磨工艺参数的选择
在珩磨压力相同的条件下，提高珩磨头的旋转速度会提高工件表面的粗糙度，并提高效率。对于较硬的材料，降低切削速度，对于较软的材料则可适当提高转速。珩磨大直径的工件，主轴速度应降低。珩磨较小直径的则应增加转速。使用同一牌号油石时，也可利用主轴速度的变换实现粗珩、精珩。实现方法为：先用低速进行粗珩，然后提高主轴转速，珩磨头往返运动速度增加时，加工工件为钢件的表面粗糙度将降低，但是加工工件为铸铁件时，珩磨头的往返运动速度增加反而有利于粗糙度的提高。
珩磨压力与油石的损耗也有很大的关系，压力大时，油石损耗快，反之，亦然。所以，在选择珩磨压力时，应实验性选择，以防止划伤工件表面为宜。
3 、结束语
（1）珩磨工艺由于采用软磨削，加工工件精度受机床本身精度的影响较小，越来越多的应用在深孔加工领域中。
（2）珩磨油石、珩磨油、珩磨工艺的选择对珩磨工件的表面质量、加工效率有很大的影响，合理选择工艺对加工精度有着至关重要的影响。
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