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1、磨料性質(zhì)對柴油機滾磨加工的影響 磨料性質(zhì)對柴油機滾磨加工的影響 2018/12/18 摘要：介紹了滾磨光整加工，并就磨料性質(zhì)對柴油機滾磨光整加工的影響進行了研究。應(yīng)用滾磨光整技術(shù)對柴油機凸輪軸進行加工，通過試驗分析了磨料各種性質(zhì)對滾磨光整加工效果的影響，所做研究可以促進滾磨光整加工的發(fā)展。 關(guān)鍵詞：柴油機滾磨光整加工磨料 1柴油機概述 隨著工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展，大中型設(shè)備的生產(chǎn)制造、傳遞輸送變得越來越廣泛，柴油機以扭矩大

2、、熱效率高和經(jīng)濟性好的特性廣泛應(yīng)用于大中型設(shè)備的動力系統(tǒng)，并且隨著一大批先進技術(shù)的發(fā)展，如電控直噴、共軌、渦輪增壓、中冷等，在小型柴油發(fā)動機行業(yè)的應(yīng)用也更加廣泛。柴油機在節(jié)能減排方面的優(yōu)勢，是包括汽油機在內(nèi)的所有熱力發(fā)動機都無法取代的，作為綠色發(fā)動機，柴油機在轎車產(chǎn)業(yè)也受到越來越廣泛的關(guān)注［1-2］，大有取代汽油機的趨勢。柴油機結(jié)構(gòu)如圖1所示。要發(fā)揮出柴油機的優(yōu)異性能，組成柴油機的關(guān)鍵零部件，如曲軸、凸輪軸、齒輪、噴油嘴等有至關(guān)重要的作用。而隨著柴油機工作壓力的不斷增大，用戶對柴油機各個零件的強度也提出了更高的要求。因此，如何提高這些關(guān)鍵零部件的表面質(zhì)量，尤其是機械加工質(zhì)量，是決定柴油機整機可

3、靠性和使用壽命的關(guān)鍵。以傳動齒輪為例，傳動齒輪的表面粗糙度每提升一個等級，將會延長齒輪20%～30%的壽命。柴油機關(guān)鍵零部件滾磨光整加工可創(chuàng)造良好的經(jīng)濟效益，并對柴油機的發(fā)展、環(huán)境友好型社會的實現(xiàn)帶來不可估量的社會價值［3-4］。 2滾磨光整工藝概述 為提高柴油機零部件的表面物理性能，在機械加工中常采用表面熱處理、拋光和時效處理等多道工序，但這種組合處理方式存在工藝復(fù)雜、加工時間長、質(zhì)量不均勻等問題［5］。為解決柴油機零部件表面處理存在的問題，筆者選擇滾磨光整加工工藝對柴油機部分零部件進行處理。滾磨光整加工工藝將工件以一定的狀態(tài)浸入盛有加工介質(zhì)的容器中，通過工件

4、、磨料或者兩者同時產(chǎn)生相對運動的方式，使工件和磨料之間產(chǎn)生滾壓、刻劃等微量磨削復(fù)雜運動形式，進而改變工件接觸表面的幾何特征，達到改善工件的表層物理性能，提高工件表面粗糙度、整機使用性能，延長工件和整機使用壽命的目的［6-8］。滾磨光整加工工藝方式主要有回轉(zhuǎn)式和振動式，如圖2所示。滾磨光整加工工藝不僅可以避免傳統(tǒng)加工方法工件表面熱處理、拋光和時效處理等的復(fù)雜工藝，以及加工時間長的弊端，而且能在提升工件表面粗糙度等級的同時，消除殘余應(yīng)力，完成工件的預(yù)磨損。由于獨特的全方位加工方式，能夠適應(yīng)不同形狀、尺寸工件的處理，從而輕松實現(xiàn)各類工件的大批量連續(xù)加工［9-10］。影響滾磨光整加工效果的因素很多，找

5、到最優(yōu)化的參數(shù)匹配并總結(jié)相應(yīng)的規(guī)律，具有極其重要的價值。滾磨光整加工效果影響因素如圖3所示［11-13］。滾磨光整加工中的磨削介質(zhì)由磨液和磨料兩部分組成，由于磨液在滾磨光整加工中主要起潤滑和清理切屑的作用，對工件表面加工質(zhì)量的影響不大，因此筆者主要研究磨料特性對滾磨光整加工效果的影響。在對相同工件進行滾磨光整加工時，由于加工表面物理性能幾乎相同，因此滾磨光整加工的質(zhì)量主要與磨料特性和滾磨光整加工時間有關(guān)。在滾磨光整加工中，隨著加工時間的延長，工件表面粗糙度值達到一定程度后并不會有明顯變化。因此，在相同的加工時間內(nèi)，合理選擇磨料，成為柴油機曲軸、凸輪軸等零部件滾磨光整加工質(zhì)量的最主要影響因素。

6、 3磨料特性分析 滾磨光整加工主要實現(xiàn)工件與磨料之間的磨削運動，這一磨削運動由工件、磨料之間的相對旋轉(zhuǎn)運動和往復(fù)運動組成。在磨削運動的作用下，工件與磨料之間形成螺旋運動，產(chǎn)生相對作用力，對工件表面進行修飾，降低工件表面粗糙度值，完成零部件關(guān)鍵位置的初磨損。在對工件表面反復(fù)滾磨光整加工時，會在工件表面形成交叉網(wǎng)紋，這種交叉網(wǎng)紋可以在較大程度上降低工件表面粗糙度值，改善工件表面的晶格結(jié)構(gòu)，提升工件表面性能和使用壽命。雖然工件與磨料的相對運動較為復(fù)雜，但是工件和磨料均沿滾筒方向呈現(xiàn)螺旋運動，由此可簡化為工件與滾筒作相對矢量運動。交叉網(wǎng)紋的形成過程如圖4所示。圖4中，Vc

7、為工件相對于滾筒的軸向速度，Vf為工件沿滾筒的徑向速度，Va為工件沿滾筒內(nèi)壁的切向速度，V為工件相對滾筒運動的合速度。工件相對滾筒運動的合速度V由工件相對于滾筒的軸向速度Vc、工件沿滾筒的徑向速度Vf、工件沿滾筒內(nèi)壁的切向速度Va三者疊加組成，其大小應(yīng)滿足下式：由于在滾磨光整加工中，工件沿滾筒的徑向速度Vf變化近乎為零，因此可忽略不計，則式（1）簡化為：工件相對于滾筒的軸向速度Vc與滾筒運行周期n及滾筒的半徑r滿足如下關(guān)系：由式（5）和式（6）可以得出結(jié)論：作滾磨光整運動的工件相對滾筒運動的合速度V由工件沿滾筒內(nèi)壁的切向速度Va和滾筒半徑r共同決定；在滾筒半徑r一定的前提下，如何加快工件沿滾筒

8、內(nèi)壁切向速度Va是滾磨光整加工中的關(guān)鍵。在光整加工中，工件隨磨料進行螺旋運動，工件的切向速度由磨料碰撞、擠壓生成，磨料形狀、尺寸將直接影響對工件碰撞和滾壓的程度，因而研究磨料的相關(guān)參數(shù)對研究工件沿滾筒內(nèi)壁的切向速度Va有重要意義。滾磨光整加工中所用的磨具，一般是由耐磨性基材與耐腐蝕結(jié)合劑經(jīng)特殊工藝制成的顆狀體，統(tǒng)稱為磨料。磨料作為主要的滾磨光整加工介質(zhì)，是影響工件表面滾磨光整加工效果的主要因素。滾磨光整加工中，磨料對工件表面應(yīng)具有一定的磨削能力，并且耐磨損、耐腐蝕。除此之外，磨料和工件一直浸泡在水和磨劑組成的混合液中，要求磨料致密性好、吸水率低，同時具有耐水、耐油、耐酸堿的性能。由于材質(zhì)的不同

9、，磨料可分為高溫?zé)Y(jié)型、樹脂磨料、金屬磨料等，具體分類、性能及適用性見表1。磨料由各種不同的研磨材料直接制成，或者添加結(jié)合劑燒結(jié)而成，最終成型的磨料其形狀及尺寸規(guī)格多種多樣，表2列出了部分常用磨料的形狀及尺寸規(guī)格。在滾磨光整加工中，同一材質(zhì)、同一粒度的磨料由于形狀不同，會造成加工后的工件表面粗糙度值有較大差別。經(jīng)試驗驗證，在眾多的磨料形狀中，圓球體磨料滾磨光整加工后的工件表面質(zhì)量最好。隨著磨料棱角的增多，接觸點變得尖銳，工件加工后的表面質(zhì)量變差，工件的表面粗糙度值變大。如要求加工后的工件表面粗糙度值小或光亮度好，應(yīng)選擇圓球體磨料。筆者試驗選定兩種尺寸三種磨料粒度共六種不同的剛玉圓球體磨料，編號

10、為準3FS、準3MS、準3RS、準4FS、準4MS和準4RS，進行工件表面滾磨光整加工。F、M、R表示磨料的不同粒度，其中F表示磨料粒度為300目，M表示磨料粒度為240目，R表示磨料粒度為80目。采用回轉(zhuǎn)式自由磨具滾磨光整設(shè)備，光整時間為20min，滾磨光整效果對比如表3、圖5所示。對準3FS、準3MS和準3RS三組試驗結(jié)果進行對比分析，三種磨料之間的變量僅為構(gòu)成磨料的材料粒度有所差異，因而可以得出結(jié)論，在同等的加工條件下，磨料的材料粒度對工件表面粗糙度值的影響幾乎為零。準4FS、準4MS和準4RS三組試驗結(jié)果也驗證了這一結(jié)論的正確性。通過對準3FS和準4FS、準3MS和準4MS、準3RS和

11、準4RS試驗結(jié)果進行對比，可以看出，隨著磨料外形尺寸的增大，工件表面粗糙度值呈現(xiàn)增大的趨勢，這是由于隨著磨料外形尺寸的不斷增大，磨料自身質(zhì)量和體積增大，磨料與工件之間的相對壓力值和接觸面積也增大，兩者之間的滑擦痕跡同樣增大，工件表面質(zhì)量和表面粗糙度、光亮度均較磨料尺寸小時要差。為能更直觀地驗證上述結(jié)論，筆者對準3FS、準4FS磨料的加工效果進行對比，如圖6所示。對工件表面進行放大60倍處理，表面微觀對比如圖7所示。通過對比圖6、圖7，可以驗證結(jié)論：磨料尺寸越大，工件滾磨光整加工后的表面粗糙度值越大。 4結(jié)束語 滾磨光整加工技術(shù)是先進制造技術(shù)的重要組成部分，對進一

12、步提高產(chǎn)品表面質(zhì)量、生產(chǎn)效率、國際競爭力具有重要作用。滾磨光整加工技術(shù)可以促進我國模具、軸承、齒輪等基礎(chǔ)件質(zhì)量的提高，大幅度提高產(chǎn)品的使用性能和競爭力，進而帶動整個制造業(yè)水平提升，獲得巨大的社會效益和經(jīng)濟效益。 參考文獻 ［1］邱松林.柴油機SCR控制器的設(shè)計［D］.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2017. ［2］鄭齊清.6300ZDZC柴油機工作過程仿真與試驗研究［D］.廈門：集美大學(xué)，2016. ［3］徐丹.某柴油機EGR系統(tǒng)開發(fā)及優(yōu)化技術(shù)研究［D］.濟南：山東大學(xué)，2017. ［4］喬芳.柴油機挺柱磨損分析及改進［D］

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