磨料性质对柴油机滚磨加工的影响范文

摘要：介绍了滚磨光整加工，并就磨料性质对柴油机滚磨光整加工的影响进行了研究。应用滚磨光整技术对柴油机凸轮轴进行加工，通过试验分析了磨料各种性质对滚磨光整加工效果的影响，所做研究可以促进滚磨光整加工的发展。

关键词：柴油机滚磨光整加工磨料

1柴油机概述

随着工业技术的飞速发展，大中型设备的生产制造、传递输送变得越来越广泛，柴油机以扭矩大、热效率高和经济性好的特性广泛应用于大中型设备的动力系统，并且随着一大批先进技术的发展，如电控直喷、共轨、涡轮增压、中冷等，在小型柴油发动机行业的应用也更加广泛。柴油机在节能减排方面的优势，是包括汽油机在内的所有热力发动机都无法取代的，作为绿色发动机，柴油机在轿车产业也受到越来越广泛的关注［1-2］，大有取代汽油机的趋势。柴油机结构如图1所示。要发挥出柴油机的优异性能，组成柴油机的关键零部件，如曲轴、凸轮轴、齿轮、喷油嘴等有至关重要的作用。而随着柴油机工作压力的不断增大，用户对柴油机各个零件的强度也提出了更高的要求。因此，如何提高这些关键零部件的表面质量，尤其是机械加工质量，是决定柴油机整机可靠性和使用寿命的关键。以传动齿轮为例，传动齿轮的表面粗糙度每提升一个等级，将会延长齿轮20%～30%的寿命。柴油机关键零部件滚磨光整加工可创造良好的经济效益，并对柴油机的发展、环境友好型社会的实现带来不可估量的社会价值［3-4］。

2滚磨光整工艺概述

为提高柴油机零部件的表面物理性能，在机械加工中常采用表面热处理、抛光和时效处理等多道工序，但这种组合处理方式存在工艺复杂、加工时间长、质量不均匀等问题［5］。为解决柴油机零部件表面处理存在的问题，笔者选择滚磨光整加工工艺对柴油机部分零部件进行处理。滚磨光整加工工艺将工件以一定的状态浸入盛有加工介质的容器中，通过工件、磨料或者两者同时产生相对运动的方式，使工件和磨料之间产生滚压、刻划等微量磨削复杂运动形式，进而改变工件接触表面的几何特征，达到改善工件的表层物理性能，提高工件表面粗糙度、整机使用性能，延长工件和整机使用寿命的目的［6-8］。滚磨光整加工工艺方式主要有回转式和振动式，如图2所示。滚磨光整加工工艺不仅可以避免传统加工方法工件表面热处理、抛光和时效处理等的复杂工艺，以及加工时间长的弊端，而且能在提升工件表面粗糙度等级的同时，消除残余应力，完成工件的预磨损。由于独特的全方位加工方式，能够适应不同形状、尺寸工件的处理，从而轻松实现各类工件的大批量连续加工［9-10］。影响滚磨光整加工效果的因素很多，找到最优化的参数匹配并总结相应的规律，具有极其重要的价值。滚磨光整加工效果影响因素如图3所示［11-13］。滚磨光整加工中的磨削介质由磨液和磨料两部分组成，由于磨液在滚磨光整加工中主要起润滑和清理切屑的作用，对工件表面加工质量的影响不大，因此笔者主要研究磨料特性对滚磨光整加工效果的影响。在对相同工件进行滚磨光整加工时，由于加工表面物理性能几乎相同，因此滚磨光整加工的质量主要与磨料特性和滚磨光整加工时间有关。在滚磨光整加工中，随着加工时间的延长，工件表面粗糙度值达到一定程度后并不会有明显变化。因此，在相同的加工时间内，合理选择磨料，成为柴油机曲轴、凸轮轴等零部件滚磨光整加工质量的最主要影响因素。

3磨料特性分析

滚磨光整加工主要实现工件与磨料之间的磨削运动，这一磨削运动由工件、磨料之间的相对旋转运动和往复运动组成。在磨削运动的作用下，工件与磨料之间形成螺旋运动，产生相对作用力，对工件表面进行修饰，降低工件表面粗糙度值，完成零部件关键位置的初磨损。在对工件表面反复滚磨光整加工时，会在工件表面形成交叉网纹，这种交叉网纹可以在较大程度上降低工件表面粗糙度值，改善工件表面的晶格结构，提升工件表面性能和使用寿命。虽然工件与磨料的相对运动较为复杂，但是工件和磨料均沿滚筒方向呈现螺旋运动，由此可简化为工件与滚筒作相对矢量运动。交叉网纹的形成过程如图4所示。图4中，Vc为工件相对于滚筒的轴向速度，Vf为工件沿滚筒的径向速度，Va为工件沿滚筒内壁的切向速度，V为工件相对滚筒运动的合速度。工件相对滚筒运动的合速度V由工件相对于滚筒的轴向速度Vc、工件沿滚筒的径向速度Vf、工件沿滚筒内壁的切向速度Va三者叠加组成，其大小应满足下式：由于在滚磨光整加工中，工件沿滚筒的径向速度Vf变化近乎为零，因此可忽略不计，则式（1）简化为：工件相对于滚筒的轴向速度Vc与滚筒运行周期n及滚筒的半径r满足如下关系：由式（5）和式（6）可以得出结论：作滚磨光整运动的工件相对滚筒运动的合速度V由工件沿滚筒内壁的切向速度Va和滚筒半径r共同决定；在滚筒半径r一定的前提下，如何加快工件沿滚筒内壁切向速度Va是滚磨光整加工中的关键。在光整加工中，工件随磨料进行螺旋运动，工件的切向速度由磨料碰撞、挤压生成，磨料形状、尺寸将直接影响对工件碰撞和滚压的程度，因而研究磨料的相关参数对研究工件沿滚筒内壁的切向速度Va有重要意义。滚磨光整加工中所用的磨具，一般是由耐磨性基材与耐腐蚀结合剂经特殊工艺制成的颗状体，统称为磨料。磨料作为主要的滚磨光整加工介质，是影响工件表面滚磨光整加工效果的主要因素。滚磨光整加工中，磨料对工件表面应具有一定的磨削能力，并且耐磨损、耐腐蚀。除此之外，磨料和工件一直浸泡在水和磨剂组成的混合液中，要求磨料致密性好、吸水率低，同时具有耐水、耐油、耐酸碱的性能。由于材质的不同，磨料可分为高温烧结型、树脂磨料、金属磨料等，具体分类、性能及适用性见表1。磨料由各种不同的研磨材料直接制成，或者添加结合剂烧结而成，最终成型的磨料其形状及尺寸规格多种多样，表2列出了部分常用磨料的形状及尺寸规格。在滚磨光整加工中，同一材质、同一粒度的磨料由于形状不同，会造成加工后的工件表面粗糙度值有较大差别。经试验验证，在众多的磨料形状中，圆球体磨料滚磨光整加工后的工件表面质量最好。随着磨料棱角的增多，接触点变得尖锐，工件加工后的表面质量变差，工件的表面粗糙度值变大。如要求加工后的工件表面粗糙度值小或光亮度好，应选择圆球体磨料。笔者试验选定两种尺寸三种磨料粒度共六种不同的刚玉圆球体磨料，编号为准3FS、准3MS、准3RS、准4FS、准4MS和准4RS，进行工件表面滚磨光整加工。F、M、R表示磨料的不同粒度，其中F表示磨料粒度为300目，M表示磨料粒度为240目，R表示磨料粒度为80目。采用回转式自由磨具滚磨光整设备，光整时间为20min，滚磨光整效果对比如表3、图5所示。对准3FS、准3MS和准3RS三组试验结果进行对比分析，三种磨料之间的变量仅为构成磨料的材料粒度有所差异，因而可以得出结论，在同等的加工条件下，磨料的材料粒度对工件表面粗糙度值的影响几乎为零。准4FS、准4MS和准4RS三组试验结果也验证了这一结论的正确性。通过对准3FS和准4FS、准3MS和准4MS、准3RS和准4RS试验结果进行对比，可以看出，随着磨料外形尺寸的增大，工件表面粗糙度值呈现增大的趋势，这是由于随着磨料外形尺寸的不断增大，磨料自身质量和体积增大，磨料与工件之间的相对压力值和接触面积也增大，两者之间的滑擦痕迹同样增大，工件表面质量和表面粗糙度、光亮度均较磨料尺寸小时要差。为能更直观地验证上述结论，笔者对准3FS、准4FS磨料的加工效果进行对比，如图6所示。对工件表面进行放大60倍处理，表面微观对比如图7所示。通过对比图6、图7，可以验证结论：磨料尺寸越大，工件滚磨光整加工后的表面粗糙度值越大。

4结束语

滚磨光整加工技术是先进制造技术的重要组成部分，对进一步提高产品表面质量、生产效率、国际竞争力具有重要作用。滚磨光整加工技术可以促进我国模具、轴承、齿轮等基础件质量的提高，大幅度提高产品的使用性能和竞争力，进而带动整个制造业水平提升，获得巨大的社会效益和经济效益。

参考文献

［1］邱松林.柴油机SCR控制器的设计［D］.合肥：合肥工业大学，2017.

［2］郑齐清.6300ZDZC柴油机工作过程仿真与试验研究［D］.厦门：集美大学，2016.

［3］徐丹.某柴油机EGR系统开发及优化技术研究［D］.济南：山东大学，2017.

［4］乔芳.柴油机挺柱磨损分析及改进［D］.济南：山东大学，2017.

［5］林陈彪．工程机械齿轮轴加工工艺分析与优化［J］．机电技术，2008（4）：42-44．

［6］王浩程，张宏太，张德良，等．离心研磨过程中磨料流态特征受传动比影响的实验和理论研究［J］．金刚石与磨料磨具工程，2005（1）：65-68，74.

［7］王友林，姜英.光整加工技术的现状与发展趋势［J］.矿山机械，2004（9）：93-96.

［8］都春义，高云松，刘永平.表面滚磨光整加工的技术特征及发展趋势［J］.机械管理开发，2012（3）：18-19，23.

［9］袁跃龙.滚磨光整加工工艺数据库系统的研究与开发［D］.太原：太原理工大学，2009.

［10］刘迎春，沈晓阳，王频．卧式离心滚筒光磨机的力学分析与应用［J］．天津轻工业学院学报，2002（2）：25-28.

［11］王浩程，张宏太，张德良，等．磨料流在离心研磨过程中运动特征的数值模拟［J］．中国机械工程，2005，16（22）：1995-1998.

［13］李长河，修世超，李琦，等.磨料喷射光整加工机理及在机械领域中的应用［J］.机械制造，2004，42（8）：18-21.葺

作者：王钊 单位：新奥环保技术有限公司