磨料性质对柴油机滚磨加工的影响

磨料性质对柴油机滚磨加工的影响磨料性质对柴油机滚磨加工的影响 2018/12/18 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）：42-446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