薄壁高强度钢质气缸套珩抛工艺研究

□ 洪彦奎 □ 王保民 □ 李胜利

北方通用动力集团 石家庄 050081

随着高功率密度发动机技术的快速发展，为保证气缸套内孔表面具有较高的耐磨性、抗蚀性和抗热疲劳强度等综合优良性能，不仅气缸套内孔尺寸及形位精度要求越来越严格，而且对其内表面物理组织、微观结构要求也更为苛刻［1］。

普通珩磨和普通内孔磨削作为传统的孔加工技术［2］，均有其技术缺陷。普通珩磨技术特点：采用砂条工作，加工痕迹为规则纹路，加工过程中发热量较小，不易烧伤工件，但难以高效实现表面粗糙度达镜面标准的内孔加工。普通内孔磨削技术特点：采用砂轮或砂带工作，加工痕迹为不规则纹路，虽然技术本身能实现内孔抛光，但加工过程中既会因残余应力产生加工硬化现象，又会因发热量较大而烧伤加工表面，从而引起物理组织发生改变，最终影响零件工作面的机械性能。因此，加工内表面达镜面标准且要求摩擦副能形成有效润滑油膜的气缸套时，普通珩磨和内孔磨削根本无法实现。

为解决上述问题，笔者提出了“珩抛”的新概念，探讨了珩抛工艺的技术原理，对加工方式、工艺参数、加工磨具、辅料选择等多方面进行了深入研究，攻克了薄壁、高度强化表面镜面超精加工技术的难题，实验证明了珩抛对薄壁、高度强化表面镜面超精加工的可行性和合理性。

1 珩抛加工原理

珩抛加工是一种新型复合超精加工技术，在珩抛加工过程中，油石上各磨粒在工件表面上的运动速度如图1所示。

▲图1 珩抛加工原理图

设油石上下运动的往复速度与周向回转线速度构成切削方向角为 θ，合成切削速度v为：

切削方向角θ为：

式中：vg为磨头回转的线速度，r/min；vs为磨头往复运动速度，r/min；D 为磨头直径，mm；ng为磨头转速，r/min；a为磨头工作行程，mm；f为磨头往复频率，次/min。

θmax是珩抛加工的重要工艺参数，对加工生产率和表面粗糙度有较大的影响。

在合理确定工艺参数、油石参数、冷却液等前提下，当油石最初接触比较粗糙的工件表面时，由于接触点面积小，压强大，工件与油石之间不能形成完整的润滑油膜，加之油石磨粒的切削方向经常变化，磨粒破碎较多，磨钝的情况少，油石具有良好的自励性，因此，这时的油石主要起切削作用。随着工件表面被磨平，同时还有极细的切屑所形成的氧化物嵌入油石空隙，使油石表面形成光滑表面，接触面积逐渐增大，单位面积上的压强逐渐减小，润滑油膜也逐渐形成，最后便自动停止切削，起到光整抛光的作用。

如果光滑的油石表面再一次与待加工的工件表面接触，由于较粗糙的工件表面破坏了油石的光滑表面，又可恢复油石的自励性能，切削过程可以再一次进行。

2 主要工艺参数 、油石、冷却液的确定

2.1 加工技术要求

某气缸套毛坯为含铬、钼、铝、锰等化学成分的专用高强度无缝钢管， 其材料特性：σb≥980 MPa，σs≥835 MPa，δ5≥15%，ψ≥50%，AKv≥71J， 气缸套内表面终加工前进行离子氮化处理，氮化层硬度≥80HRA，壁厚最薄处仅3.5 mm，内孔表面粗糙度Ra≤0.05 μm。由此可见，该零件不仅材料强度、硬度及韧性均很高，其切削加工性能很差，而且结构设计壁厚很薄，属于典型的薄壁弱刚性零件，极易产生加工变形［3］。最重要的是，内孔表面粗糙度要求很高，采用传统的加工技术难以保证气缸套内孔表面的加工质量。

2.2 珩抛加工主要工艺参数的确定

影响珩抛加工生产率和加工质量的主要因素有：工艺参数（如 θmax、f、a、p 等）、油石以及冷却润滑液的质量和性能。

2.2.1 最大切削方向角θmax

θmax愈大，油石的切削作用愈强，生产率愈高，但加工粗糙度较差。因此，珩抛初加工时θmax宜选大些，取25°；珩抛终加工时 θmax宜选小些，取 15°。 当 θmax选定后，要使vs（或f、a）与vg的比值符合已经选定的θmax角。

2.2.2 磨头往复运动速度vs

磨头往复运动速度愈高，单位时间内磨粒的切削长度愈长，切削作用愈强，因而加工效率高。但磨头往复运动速度却受到磨头和工艺系统动刚度的限制，速度过高可能使工件表面出现振纹，会降低表面光洁度。试验证明：珩抛初加工磨头往复运动速度vs取44.9 m/min，珩抛终加工磨头往复运动速度vs取31.7 m/min较合理。

2.2.3 磨头工作行程a

磨头工作行程a愈大，切削作用亦愈强，但磨粒形成的网纹轨迹愈粗，对提高表面光洁度不利。试验证明：珩抛初加工宜选大些，a=240mm；珩抛终加工宜取小些，a=180mm。

2.2.4 磨头圆周速度vg

圆周速度vg愈高，切削角θ愈小，磨粒的切削作用减弱，加工效率降低，对提高表面光洁度有益。但圆周速度也不宜太高，否则,会引起工艺系统振动，反而使表面光洁度变差。合理值：珩抛初加工vg=96.3 m/min，珩抛终加工vg=118.2 m/min。

2.2.5 油石压强p

压强较大时，切削作用较强，加工效率较高。但如压强过大，磨粒容易划伤工件表面，表面光洁度变差。压强过小，油石自励性能差，不仅切削作用差，加工效率低，而且磨粒易钝化，对表面光洁度产生不利影响。试验证明：珩抛初加工取20 bar(1bar=0.1 MPa)，珩抛终加工取35 bar较合理。

2.3 珩抛加工油石参数的确定

珩抛加工过程中，油石既要有切削作用，又要有抛光性能。因此珩抛加工选用的油石合适与否很重要。

2.3.1 确定油石材质

油石磨料种类的选择，需根据工件材料选定［4］。由于本气缸套材料含铬、钼、铝、锰等金属元素，待加工表面又经过离子氮化处理，表面金相组织特殊，考虑到化学元素分子间的亲和作用及各化合物的相互影响，选用碳化硅作为本珩抛加工磨料较合适。

2.3.2 确定油石粒度

油石粒度太粗影响珩抛表面质量，但油石粒度太细会降低加工效率。因此，确定油石粒度时，须综合权衡多方因素的利弊。

2.3.3 确定油石磨料结合剂

油石粘结剂有陶瓷、树脂、聚乙烯等多种，考虑到本气缸套材料化学成分的特殊性及待珩抛加工表面处理状态，宜选用陶瓷粘结剂。

2.3.4 确定油石硬度

根据“以软克硬”理论，加工离子氮化处理后（硬度很高）的气缸套内表面，需选用硬度低一些的油石，使磨钝了的磨粒快点脱落，以便油石经常保持有锐利的磨粒在工作，并要求同一根油石上各处硬度应均匀，硬度差不能超过8 HRC。

综上所述，通过多次工艺试验，选用切削性能好而且物理性能优越、化学性质非常稳定的油石SCK180S18VS和EKK600LE14-17Ba，分别用于珩抛初加工和珩抛终加工。

2.3.5 确定油石尺寸

由于油石在珩抛过程中既起磨削作用，又起导向作用，油石的尺寸越大，搭接部分越长，与工件的接触面积也越大，参加切削的磨粒就多，对孔的修磨作用会越好，而且加工精度及切削效率亦愈高。但是，若油石尺寸太大就难以保证其与工件在全长上的良好接触。

由于本气缸套精度要求较高，为保证珩抛加工后气缸套内孔有较高的圆柱度，经过计算，将油石长度确定为250 mm。

油石的宽度对保证工件内孔的圆度有较大的影响，宽的油石对减小表面波度有利，但若油石过宽，则使工件回转方向上油石两侧的切削作用差别增大，因而油石两侧的磨削不均匀。通过反复试验，油石宽度确定为10 mm。

2.4 珩抛加工油石修磨

使用油石时应将其修整成与工件直径大小一致的圆弧，以保证与被加工气缸套内孔表面有较好的接触。修整时，将磨头装在磨床两顶尖之间，由磨床主轴带动磨头回转，用粗颗粒砂轮将油石修成圆弧面。

2.5 珩抛加工冷却润滑液的确定

冷却润滑液对珩抛加工的质量影响很大。其主要作用是冲洗切屑和脱落的磨粒，并在油石和工件之间形成油膜以自动控制切削过程。所以，不仅要求有良好的润滑性能，而且要求油性稳定，无分解腐蚀作用［4］。经试验验证，选用嘉实多HONILO 980冷却润滑液较理想。在珩抛加工时配置循环系统，可使冷却润滑液得到不断过滤净化。

3 珩抛工艺技术主要工序

珩抛加工是在数控设备Z800-180上进行的，如图2所示。

3.1 加工工序安排

由于珩抛加工余量很小，而气缸套内孔精度要求较高，须先完成珩抛准备工序，再进行珩抛加工，才可形成理想的珩抛工作表面。

▲图2 珩抛加工设备（主要工作部分）

3.2 珩抛准备工序

经过反复论证，将珩抛准备工序分为粗珩、精珩两步完成，具体加工过程如下。

（1）粗珩：采用D181金刚石砂条，在30～32 bar压力条件下，加工100 s左右，即切削掉0.02 mm左右加工余量，修正气缸套内孔磨削留下的形状公差，形成适合后续精珩的基本工作表面。

（2）精珩：采用D126金刚石砂条，在30 bar压力条件下，加工80 s左右，即切削掉0.015 mm左右加工余量，修正粗珩留下的加工痕迹，形成适合后续珩抛加工的基本工作表面。

3.3 珩抛加工过程

上述准备工序完成后，将珩抛工序分为初加工和终加工两个加工阶段，并在双进给磨头上同时安装两种油石，既可完成两个工步的工作内容，又可消除重复装夹定位误差的影响,最终形成理想的珩抛内孔表面。具体加工过程如下。

（1）珩抛初加工（从广义上讲，此阶段属于珩磨阶段）：在前述所设定的主要工艺参数等条件下加工20 s左右，即切削掉珩抛加工余量（0.005～0.01 mm）的90%左右，可全部消除精珩工序留下的加工痕迹，修正气缸套内孔的形状公差，形成精度较高的圆柱形内孔和适合珩抛终加工所需的表面粗糙度。

（2）珩抛终加工（从广义上讲，此阶段属于抛光阶段）：在前述所设定的主要工艺参数等条件下加工80 s左右，即切削掉其余的珩抛加工余量，进一步修正珩抛初加工留下的气缸套内孔表面缺陷，形成精度很高的圆柱形内孔，使加工表面达到镜面标准。

4 珩抛超精加工机理分析

反复试验发现，珩抛超精加工机理非常复杂，但基本可分为3种加工状态，即：切削状态、半切削状态和镜面抛光状态。

在切削状态下，磨粒切削刃锋利，油石气孔没有堵塞，磨出的表面上有无数相当明显的切削痕迹，表面无光泽。

在半切削状态下，脱落的磨粒与切屑堵塞了油石表面上的部分气孔，部分磨粒的切削刃开始钝化，从而使油石切削能力下降。但由于部分磨粒脱落，油石表面上露出了一些新的磨粒，这些新的磨粒切削刃参加切削。因而，加工表面的切削痕迹较浅，具有较暗的光泽。

在镜面抛光的加工状态下，油石表面的气孔被堵塞，没有磨粒脱落的痕迹，油石表面变成很光洁的表面。这时，钝化了的磨粒抛光工件表面，加工表面上无切削痕迹，达到镜面标准。

试验结果证明，p、vg、f、a、θ 等工艺参数对珩抛加工状态均有较大影响，其中，油石压强p是最重要的。如果p选得过低，在切削状态下，只能切去表面粗糙度的“山峰”的一部分，转入到半切削状态后，油石的切削作用减弱，无能力切去余下的粗糙度的“山峰”，因而在工件表面上留下上工步的加工痕迹。相反，若压强p选得过高，超过临界压强，则在切去表面上的“山峰”后，油石的磨粒仍具有切削作用，直到将加工余量切完，工件表面仍达不到镜面要求。只有将压强p选定在上述“临界压强”附近，才会使加工状态自动地由切削状态转到半切削状态，进而转到镜面抛光状态，使加工表面达到镜面标准。

5 珩抛加工内孔表面质量

5.1 加工表面粗糙度

表1列出了随机抽取的10件经珩抛加工的气缸套内孔表面质量情况。由表中数据可见，表面粗糙度值均在0.045 μm以下，与普通珩磨加工一般所达到的最高表面粗糙度0.2 μm相比，其效果相当好。

5.2 气缸套表面磨损

气缸套表面的耐磨性是非常重要的技术指标，它影响发动机的工作性能。为验证珩抛加工后气缸套内孔的工作性能，在某型号柴油机上进行了500 h耐久性台架考核试验。试验结果证明，珩抛加工后的气缸套内孔表面工作状况良好，磨损量非常小（经500 h考核试验后，“平均磨损量”仅为0.002 5 mm），没有发现划伤与异常磨损痕迹，无穴蚀情况，完全满足整机各项技术指标及可靠性要求。

5.3 珩抛加工技术分析

通过上述实验分析可知，珩抛加工技术对于难加工材料的薄壁内孔件的加工，是非常有效的加工方法，使加工表面可以获得很小的粗糙度值，有效提高零件的耐磨损性能，其主要原因如下。

（1） 磨粒具有规则的运动轨迹，且能在加工过程中从切削作用过渡到光整抛光，在工件表面上留下的磨痕非常浅，可以得到很高的光洁度。

（2）由于磨痕呈规则交叉网纹状，且非常细密，很有利于油膜的形成，其耐磨性比普通珩磨和内孔磨削的表面更高。

（3）可以修正零件内孔形状公差，形成精度很高的圆柱形内孔。

（4）由于油石在加工过程中作往复运动，磨粒的切削方向发生规律性改变，因此磨粒破碎的机会多，自励性好，故切削效率很高。

表1 珩抛加工后气缸套内孔表面质量情况

6 结束语

综上所述，通过科学制定工艺方案，合理确定珩抛加工工艺参数（切削方向角、油石压强、磨头往复运动速度、工件圆周速度等），优选珩抛加工油石（材质、粒度、结合剂、硬度、尺寸等）及冷却润滑液，可获得优越的薄壁、高度强化零件超精加工表面。

“珩抛”加工技术作为先进制造技术，可以明显提高零件表面的物理力学性能，改善零件表面的应力分布状态，大幅提高零件摩擦副的抗疲劳强度、耐磨性及抗腐性，从而改善柴油机清洁度，提高柴油机有效功率，降低油耗，减小噪声，缩短磨合期，延长其使用寿命，是改善柴油机整机性能的有效途径。在有效提高高强度钢质零件内孔表面质量方面具有推广价值及发展潜力，汽车、内燃机等零件的一些高精度内孔表面超精加工均适合采用该技术。

［1］ 朱廷福,张会文.发动机主要零件的加工工艺和设备 (六)［J］.组合机床与自动化加工技术,1997（8）.

［2］ 候家驹.机械制造工艺学 ［M］.北京:机械工业出版社，1991.

［3］ 韦清芳.薄壁纯铁零件制造工艺技术［J］.工具技术，2008（12）.

［4］ 赵如福.金属切削加工工艺人员手册［M］.上海：上海科学技术出版社，1992.