光整加工技术及其发展趋势论文.doc

研究生课程（论文类）试卷2 0 1 5 /2 0 1 6 学年第 一 学期课程名称： 机械工程发展现状 授课教师： 宮赤坤 （机器人） 论文题目： 移动机器人技术及其发展趋势 学生姓名： 仇鹏 专业学号： 157661478 学院： 机械工程学院 课程（论文）成绩：课程（论文）评分依据（必填）：任课教师签字： 日期： 年 月 日课程（论文）题目：光整加工技术及其发展趋势内容： 摘要：本文在光整加工的基础上，阐述了光整加工的研究方法，介绍了光整加工技术在制造业中的重要作用和地位，分析了光整加工技术的特点和国内目前的研究进展，认为未来光整加工技术的发展趋势应该是非传统光整加工和复合光整加工技术占有较大的优势。其目标不仅要改善表面质量和提高生产效率，而且在实现精度稳定甚至提高精度等级的同时，还应实现加工过程的机械化、自动化、柔性化、智能化和高效率。关键词： 光整加工 表面质量 加工精度 1引言从20 世纪 20 年代末开始，许多工业部门，尤其是国防工业部门对产品的要求逐渐向高精度、高速度、高温、高压、大功率、小型化等方面发展，对先进仪器、设备的要求越来越高,所使用的材料越来越难以加工，零件的形状也越来越复杂；但精度要求却越来越高，并希望获得更低的表面粗糙度。因此，如果继续沿用原来的机械加工方法，仅靠单纯提高机床性能和刀具材料性能的途径则会导致加工成本显著增加，有时甚至由于工件材料和结构的难加工性而使得加工根本无法进行。于是，人们开始探索机械能以外的电能、化学能、声能、光能、磁能等能量形式在加工中的应用，从而诞生了先进制造技术,精密加工技术、超精密加工技术是先进制造技术的核心,光整加工技术又是精密加工技术、超精密加工技术的重要组成部分1。光整加工技术正是以提高零件表面质量作为出发点，经过光整加工的零件表面具有低的表面粗糙度和良好的表面微观几何形貌，不仅具有良好的外关质量，而且还有耐磨、防腐蚀和抗疲劳等作用。 1.1光整加工的含义无论是切削加工，还是铸锻、冲压、焊接加工，都会在零件表面留下程度不同的粗糙表面及各种各样的缺陷，如表面凸凹不平、棱边残缺、飞边毛刺、磕碰划伤、微观裂纹。它们的产生和存在，不仅影响零件本身的质量，而且也影响产品整机的装配精度、性能和使用寿命。以至影响到产品在市场上的信誉和竞争力。 零件表面微观的不平和缺陷的产生，涉及到了工件材料、尺寸大小、结构形状及加工方法等诸多因素，是集材料组织、切削变形、物化反应等十分复杂的问题。为了改善零件表面的外观质量，提高零件表面的耐磨性，充分发挥每个零件的功能，保证产品的整机性能，零件在获得规定的尺寸精度、几何精度之后，如尚未达到表面质量的要求，还要根据需要进行去除毛刺、飞边、刀痕，细化表面粗糙度，改善表面应力状态，消除零件表面上残留的各种缺陷等工作。因此可以这样说：在机械加工中旨在提高零件表面质量为目的的各种加工方法、加工技术，称谓表面光整加工技术，简称光整技术2。通常对零件毛坯表面和零件机械加工表面应根据需要进行相应的表面光整加工。对于毛坯零件表面的光整加工，是指零件在经过铸锻、冲压、焊接之后，虽然获得了规定的毛坯尺寸、几何形状，但就其毛坯表面质量而言，还存在许多缺陷，如表面氧化层、皱曲、粘砂、残留焊渣等。这样的零件在进入下道工序之前，必须进行清砂处理或者镀前处理等。这类表面光整加工，是以保证毛坯零件表面质量为目的的，称为毛坯表面光整加工技术。 1.2光整加工技术的地位和作用 市场经济给制造业带来了机遇,也带来了严峻的挑战。据报道,工业化国家的真实财富中有60%80%是制造业创造的,因此制造技术已成为我国目前赶超世界发达国家经济水平并获得成功的关键技术。为了改变我国制造业落后的现状,专家们极力倡导制造过程的自动化、柔性化、智能化、敏捷化、集成化。最终目标就是要解决好产品质量、加工精度、生产效率和制造成本,提高产品的市场占有率,增强出口创汇能力。这也是制造技术面临的重大课题。光整加工是指被加工对象表面质量得到大幅度提高的同时,实现精度的稳定甚至提高加工精度等级的一种技术,是先进制造技术的一个重要组成部分。光整加工工艺不同,零件的表面质量也不同,致使零件的使用性能和寿命也不同,如表1所示。从表中可知,机械光整加工的微观表面形貌为尖峰状,此时的摩擦系数大,在摩擦时容易磨损,初磨损量大,精度保持性差。同时由于磨具的强力挤压,尖点金属产生塑性流动而被挤入微观凹坑内,掩盖了真实的表面形貌。使用一段时间以后,由于疲劳磨损而剥离,使表面质量更差;而非传统及复合光整加工的微观表面形貌为波浪或圆弧凹坑,摩擦系数小,初磨损量小,轮廓支承长度率高,精度保持性好,耐磨、耐腐蚀、耐疲劳性能得到显著提高。以大量使用的齿轮和轴承为例,六级精度齿轮经过电化学光整加工以后,能降低齿面粗糙度值,纠正齿形误差,磨损量由48 mg减少到7 mg,接触疲劳强度提高一倍以上,比机械磨齿效率提高2倍以上,寿命提高1.5倍以上,减小了齿轮的冲击振动和噪声;轴承采用机械磨削后抛光,粗糙度只能到达Ra0.2 0.1m。而采用先进的非传统光整加工工艺,可实现粗、精加工一道工序完成,粗糙度可达Ra0.04m以下,寿命提高4倍以上,加工效率和精度也大大提高,并能减少波纹度,降低轴承的振动和噪声3。另一方面,在解决细小孔、窄槽、细小管、弯管、特大型容器、具有复杂型腔内壁等传统工艺难以加工的零件的表面质量问题时,非传统光整加工工艺也具有明显的优势。因此研究和开发先进的非传统光整加工工艺,对促进制造技术的发展具有重大的意义。表1 不同光整加工方法微观表面形貌与使用性能关系但是目前许多企业对光整加工工艺的重要性还缺乏足够的认识和理解,没能真正掌握光整加工工艺的本质,致使采用同样的工艺,而质量却赶不上国外。轻工、化工行业的大量零件如化学反应釜、热交换器的细长管等,大多由不锈钢制成。国产的粗糙度太大,常引起物料挂壁、堵塞,导致间断生产甚至停产,维修周期频繁,经济损失巨大。因此常采用砂轮打磨,砂带、叶轮修整至Ra0.8 0.4m,再用布轮抛光,工序多、工作量大、效率低、成本高。而且不锈钢粘性大,粗糙凹坑常常被堵死、填平,造成假象。而进口板材售价昂贵,很多企业难以承受,因此亟待开发新的光整加工工艺来解决这些难题。在模具制造中,有30%40%4的工作量是光整加工,传统上采用了风动或电动机械抛光甚至依靠经验丰富、技术熟练的老工人进行人工抛光。磨料由粗到细,多道工序实现抛光,劳动强度大,生产效率低。因此国际上相继研究出多轴数控机床、机器人,在苛刻的条件下使用固结砂轮来实现,但是每道工序间必须清洗干净,给自动化光整加工过程增加难度;对于一些特殊模具如细小槽、窄槽、细小孔、异型管及带有复杂型腔的内表面等固结砂轮难以触及的,其加工更是难以实现。如何解决这些问题已成为模具行业发展的关键。纺织行业的阻纬片、综丝等零件存在的表面质量、加工效率和制造成本等问题更加严峻,同样不容乐观。因此由表面质量所引起的产品质量问题,已严重地阻碍了这些企业正常的生产和经济效益的提高,甚至有的零件不得不以高价进口来解决质量问题,给企业、国家带来了沉重的负担。总之，光整加工技术在制造业中具有重要的地位和作用。因此必须从我国国情出发,深入研究和开发适合我国国情和具有我国特色的光整加工新工艺,否则我国的产品质量将与国外差距越来越大。 2我国光整加工的发展现状随着科学技术的进步，对零件表面质量的要求越来越高。因此，零件表面加工技术发展很快，学术体系逐渐形成，其中常被作为终加工工序的表面光整加工和去毛刺技术得到迅速发展。它集机械加工、材料学、物理学、化学、电磁学等多学科为一体的新型边缘学科，日益受到人们的重视。表面光整加工技术除传统的机械磨削、研磨、抛光等方法外，近年来随着科技水平的发展，又出现了不少新的光整加工方法。如电解机械研磨复合抛光、磁力研磨抛光、超声电解复合抛光、超声电火花复合抛光、挤压珩磨等。这些新的表面光整加工技术，均具有效率高、质量好、操作方便、劳动强度低等优点。可根据它们的特点以及不同的光整对象，选择适当的光整加工方法。国内光整加工技术的发展还年轻，对光整加工工艺及其机理的研究不够深入，而且没有引起足够的重视。虽然化学及电化学抛光的研究自上世纪60年代开始，但是与国外的差距还很大。目前我国许多大专院校、科研院所的科技人员，正致力于这一技术领域的研究与开发，同时积极开展国内外学术研讨交流，在光整技术方面推出了许多新工艺、新技术、新产品，减轻了工人的劳动强度，减少了环境污染，并产生了巨大的经济效益和社会效益。例如脉冲电化学5和电化学机械光整加工技术于上世纪 80 年代初，在我国得到迅速的研究与发展，主要研究单位有大连理工大学、哈尔滨工业大学、南京航空航天大学、合肥工业大学、苏州电加工研究所等高校、研究所和企业。大连理工大学在电化学机械光整加工和脉冲电化学机械光整加工方面进行了大量而深入的研究，在实际生产中推广应用已取得了一定的社会效益和经济效益；对磁粒光整加工的研究单位主要有大连理工大学、哈尔滨科技大学、哈尔滨工业大学、沈阳工业高等专科学校、太原工业大学、郑州纺织工学院；在电化学磁粒光整加工方面，主要有大连理工大学和哈尔滨科技大学，上海交通大学目前也在进行这方面的研究。此外，华侨大学与大连理工大学合作，对磁场电化学光整加工、磁粒光整加工、电化学磁粒光整加工、磁场电化学磁粒复合光整加工进行了研究，取得了较好的成果。 3 光整加工的工艺方法及特点 3.1光整加工分类为了保证和提高零件的表面质量6，采用光整加工方法作为零件的终加工工序是十分有效的措施。目前光整加工技术的工艺方法很多，有不同的分类方法。若按光整加工的主要功能来分，可分为下面 3 大类：(1) 以降低零件表面粗糙度值为主要目的的光整加工，如光整磨削、研磨、珩磨和抛光等；(2) 以改善零件表面物理力学性能为主要目的的光整加工，如滚压、喷丸强化、金刚石压光和挤孔等；(3) 以去除毛刺飞边、棱边倒圆等为主要目的的光整加工，如喷砂、高温爆炸、滚磨、动力刷加工等。若按加工时能量提供方法来分，有机械法、化学和电化学法、热能作用等几大类，约 20 多种详见图1 。光整加工还可分为采用固结磨料或游离磨料的手工研磨和抛光，传统机械光整加工 ( 磨削、研磨、抛光和超精加工)，非传统现代光整加工 ( 离子束抛光，激光束抛光，化学抛光，电化学抛光，磁粒光整加工，磁流体研磨，磨料流抛光，超声波研磨、抛光，电泳研磨)；复合非传统光整加工 ( 化学机械抛光、电化学超声波研磨、电火花超声波研磨、电化学机械光整加工、电火花电化学抛光、磁场电化学光整加工，其他复合光整加工) 等7 。 图1.光整加工方法 3.2光整加工系统的特点 进行光整加工的目的，主要是提高零件的表面质量。无论是传统的光整加工方法，还是近年来出现的新工艺技术，都具有以下主要特点：(1) 光整加工的加工余量小，原则上只是上道工序公差带宽度的几分之一。一般情况下，只能改善表面质量 (减小粗糙度值，消除划痕、裂纹和毛刺等)，不影响加工精度。如果余量太大，不仅生产效率低，有时还可能导致工件的原有精度下降；(2) 光整加工所用机床设备不需要很精确的成形运动，但磨具与工件之间的相对运动应尽量复杂。因为光整加工是用细粒度的磨料对工件表面进行微量切削和挤压、划擦的过程，只要保证磨具与工件加工表面能具有较大的随机性接触，就能使表面误差逐步均化到最终消除，从而获得很高的表面质量；(3) 光整加工时，磨具相对于工件的定位基准没有确定的位置，一般不能修正加工表面的形状和位置误差，其精度要靠先行工序来保证；(4) 有效地清除铸件、锻件和热处理件的表面的残渣、杂质及氧化皮；(5) 改善工件表面层应力状态，形成抗疲劳破坏的均匀压应力值 (一般比原值增大 50% 以上)；(6) 改善工件表面层金相组织状态，提高表面显微硬度，一般提高 6%20%，形成一定深度的耐磨损、抗疲劳的致密金属层，深度一般提高 4 倍以上；(7) 提高工件清洁度，完成传动件的初期磨损，改善整机部分性能指标，缩短整机磨合期 40% 以上；(8) 降低工艺成本，减轻工人劳动强度，提高生产效率，无污染，便于机械化和自动化生产。 4 光整加工技术研究趋势现代制造技术8的一个重要发展方向是精密和超精密加工技术、微细和超微细加工技术,而磁流体研磨、电解磨削、磁粒光整加工、(脉冲)电化学机械光整加工、电化学磁粒光整加工等技术是实现这些加工的重要途径之一。新型材料及复合材料的蓬勃发展也给光整加工技术提出了新的课题和挑战,研究和开发新的复合光整加工技术是解决新型材料和复合材料超精密加工的重要手段。当前对于细小孔、窄槽、细小管、弯管、特大型容器、具有复杂型腔内壁等传统工艺难以加工的工件,也迫切需要研究开发新的光整加工工艺以便更好地解决这个难题。同时它也是解决当前产品存在的表面质量和生产率等问题,实现光整加工过程自动化、柔性化、集成化和智能化的必然要求。从表1可知,非传统光整加工的微观表面形貌不同于机械光整加工,但机械光整加工精度容易控制。充分发挥两种工艺方法的优势,扬长避短,实现传统光整加工与非传统光整加工的复合,是一条可行之道。从手工研磨和抛光、机械光整加工、非传统光整加工到复合光整加工的发展过程也可知,光整加工技术的发展趋势应该是朝着大幅度改善表面质量和提高生产效率,在实现精度稳定甚至提高精度等级的同时还应实现机械化、自动化、柔性化、智能化和高效率。因此复合光整加工技术应该是今后的发展方向和研究重点。 5 结语 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、加工精度、生产效率、国际竞争力具有重要的作用。未来的重点是研究和开发能够实现机械化、自动化、柔性化、智能化的非传统光整加工技术和复合光整加工技术。 光整加工特别是复合光整加工技术不仅仅是一个制造技术问题,而是一门涉及电磁学、电化学、粉末冶金学、传热学、流体力学、机电一体化、计算机控制等多学科交叉的综合技术。很多研究成果将丰富非传统加工学科的内容,以便促进我国模具、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的提升,获得巨大的经济效益和社会效益。参 考 文 献 1 王友林,姜英. 光整加工的现状与发展趋势J. 矿山机械, 2004,09:9396.2 李诚,刘传绍.表面光整加工技术及其发展趋势J. 矿山机械, 2007,35（11）：143145.3 周锦进.特种加工在制造技术中的地位、作用及其发展前景A. 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