光整加工.doc

模具表面的光整加工技术
刘德平1，李宏兵1，2
（1.郑州大学机械工程学院，450000；2.郑州轻工业学院轻工职业学院450002）

关键词：模具；光整加工；高速铣削

光整加工是指精加工后，从工件上不切除或只切除极薄的材料层，以降低工件表面粗糙度或强化其表面的加工方法。光整加工可以获得比一般机械加工更高的表面质量。
模具表面光整加工一直以来都是模具加工中的难题之一，特别是对于一些硬度较高的金属模具进行装配时，我国目前仍以手工研磨抛光为主。手工研磨抛光不仅难以保障产品质量、加工周期长，而且模具钳工作业环境差、劳动强度大，从而使之成为模具制造效率的瓶颈，也制约了我国模具行业向更高层次发展。
对于模具复杂型腔和一些狭缝的精加工，传统的机加工方法已无法胜任，必须采用新的工艺措施，如电化学或电化学机械光整加工技术。随着科学技术的不断发展，各类模具的加工工艺要求越来越高。提高模具的抛光效率和表面质量，使我国模具制造工艺水平再上新台阶，已成为刻不容缓的重要课题。
在模具表面光整加工技术中，主要的可以分为两大部分，即传统光整加工技术和非传统光整加工技术。传统光整加工技术主要是以手工研磨抛光为主和逐渐发展起来的机械光整加工 ；非传统光整加工主要包括化学抛光、电化学抛光、电解研磨、电化学机械光整加工、超声波加工、电火花抛光、激光抛光技术以及磁流变抛光等。下面就主要的加工方法进行介绍。
1. 常用光整加工方法与设备
(1) 手工研磨抛光
该方法是传统模具光整加工所采用的主要手段，也是我国目前仍广泛采用的方法之一。该方法不需要特殊的设备，适应性比较强，主要依赖于模具钳工的经验和技术水平，但效率低(约占整个模具周期的1/3)，且工人劳动强度大，质量不稳定，制约了我国模具加工向更高层次发展。但就目前的社会经济技术发展状况来看，在今后的相当一段时间内还不能完全淘汰这种加工手段。
(2) 数字式模具抛光机
这种抛光工具采用数字化控制，数字式显示和控制工艺参数，备有整套磨头及磨料，半自动抛光，具有体积小、使用方便的优点。其工艺特点主要有：
a)具有平整功能，最大可平整的波纹长度为75mm。
b)和手工抛光相比，功效提高一倍，质量提高一个等级。
c)质量稳定，重复性好。
应用范围：
a)各种模具材料：包括铸钢、锻钢、铝合金及锌基合金。
b)适用模具表面尺寸：从100×100mm~1500×3000 mm。
(3) 超声波模具抛光机
该抛光工具采用高频电火花脉冲电源与超声波快速振动研磨的原理进行抛光。它能完成一般抛光工具(电磨软轴等)难以伸入的窄槽、窄缝、边、角等曲折部位的抛光，抛光后不塌棱角，不影响模具的精度。该工具可以解决用户过去因工件形状复杂难以达到抛光要求这一难题。并且缩短了抛光时间提高了工作效率。为了提高粗糙度大于Ra1.6工件的抛光速度，工具采用超声波与专用的高频窄脉冲高峰值电流的脉冲电源复合进行抛光，由超声波的冲击和电脉冲的腐蚀同时作用于工件表面，能迅速降低其粗糙度，对各种特殊加工后的粗硬表面十分有效。采用该工具进行抛光，可快速对粗糙表面整形抛光，不受工件形状、材料硬度限制，对原始表面粗糙度没有要求，功效比较高。
(4)高速铣削技术
从上世纪80年代以来，随着高速铣削技术的成熟与发展，模具型面加工已多采用此项加工工艺手段作为模具半精加工和精加工的手段，用电火花（EDM）进行模具型面精加工和抛光的工艺已逐渐减少。这主要是因为：除有内锐角的型腔和极窄而深的型腔外，基本都可用高速铣削代替EDM加工；采用高速铣削加工模具型面可比EDM加工节省25%～60%加工工时；高速铣削的型面表面质量好，可避免EDM加工可能出现的表面微细型纹；高速铣削能加工45～60HRC硬表面，精铣面粗糙度可达Ra=0.63µm，减少手工抛光工时；省却EDM加工电极的制造环节，显著缩短制模周期和成本。
“高速铣削”在制造业发达国家，如德国和日本，已成为模具半精加工、精加工的主流工艺手段，我国正处于积极发展阶段。
(5) 电化学和电化学机械光整加工
电化学及其复合光整加工技术主要是靠金属工件的电化学阳极溶解原理来加工，属于离子的去除。且因为是非接触加工，没有加工变形层、变质层和残余应力；工具无磨损，可以长期应用 ；不产生飞边及毛刺。图1为各种加工方法所得表面形貌对比。
模具表面的光整加工中采用电化学机械加工，比一般超精加工的寿命可提高5倍以上。

图1 各种加工方法所得表面形貌对比
2.模具表面光整加工中的精密磨削加工
磨削加工采用的机床有三种主要类型 ：平面磨床、内外圆磨床及工具磨具。精加工磨削时要严格控制磨削变形和磨削裂纹的产生，即使是十分微小的裂纹，在后续的加工使用中也会显露出来，从而影响零件的使用寿命。因此，精磨的进给量要小，冷却条件要充分。尺寸公差在0.01mm以内的零件要尽可能采用恒温磨削。由计算可知，300mm长的钢件，当温差3℃时，材料会有10.8mm左右的变化，10.8=1.2×3×3(每100mm变形量1.2mm/℃)，各精加工工序都需充分考虑这一因素的影响。
精磨时选择好恰当的磨削砂轮十分重要，针对模具钢材的V、Mo含量较高的状况，选用GD单晶刚玉砂轮较为合适。当加工硬质合金、淬火硬度高的模具材质时，应优先采用有机粘结剂的金刚石砂轮。有机粘结剂砂轮自磨锋利性好，通过选择合适的粒度，磨出的工件粗糙可达Ra=0.2µm，近年来，随着新材料的应用，立方氮化硼砂轮（即CBN砂轮），显示出良好的加工效果。在数控成型磨，坐标磨床，CNC内、外圆磨床上进行光整加工，效果均优于其它种类砂轮。
光整磨削加工中，要注意及时修整砂轮，保持砂轮的锋利度。如果砂轮的砂粒钝化，会在工件表面产生滑擦、挤压，造成工件表面烧伤，强度降低。
板类零件的加工大部分采用平面磨床加工，在加工中常会遇到一种长而薄的薄板零件，此类零件的加工较难。因为加工时，在磁力的吸附作用下，工件产生形变，紧贴于工作台表面，当拿下工件后，工件又会产生回复变形，厚度测量一致，但平行度达不到要求，解决的办法可采用隔磁磨削法，磨削时以等高块垫在工件下面，四面用挡块抵住，加工时采用小进刀，多光刀的方式。加工好一面后，可不用再垫等高块，直接吸附加工，这样可改善磨削效果，达到上、下两面的平行度要求。
轴类零件具有回转面，其加工广泛采用内外圆磨床及工具磨床。加工过程中，头架及顶尖相当于母线，如果其存在跳动问题，加工出来的工件同样会产生此问题，影响零件的质量，因此在加工前要做好头架及顶尖的检测工作。进行内孔磨削时，冷却液要充分浇到磨削接触位置，以利于磨削的顺利排出。加工薄壁轴类零件，最好采用夹持工艺台，夹紧力不可过大，否则容易在工件圆周上产生“内三角”变形。
3. 模具表面光整加工的发展趋势
模具研磨抛光将向自动化、智能化方向发展。日本已研制了数控研磨机，可实现三维曲面模具的自动化研磨抛光。另外，由于模具型腔形状复杂，任何一种研磨抛光方法都有一定局限性。应注意发展特种研磨与抛光方法，如挤压研磨、电化学抛光、超声抛光以及复合抛光工艺与装备，以提高模具表面质量。
随着模具向精密化和大型化方向发展，加工精度超过1µm的超精加工技术和集电、化学、超声波、激光等技术综合在一起的复合加工将得到发展。兼备两种以上工艺特点的复合加工技术在今后的模具制造中前景广阔。
4..结束语
模具表面的质量对成形制品的外观质量和模具使用寿命具有重要影响。因此，在模具设计与制造中，对模具表面质量的要求也越来越高。如何正确地选择适宜的光整加工方法，以提高模具表面质量，延长模具使用寿命，加快模具生产效率，值得我们在工作中进一步地总结和发现。

光整加工技术
　　1.光整加工技术的功能
　　1）减小和细化零件表面粗糙度，去除划痕、微观裂纹等表面缺陷，提高和改善零件表面质量；
　　2）提高零件表面物理力学性能，改善零件表面应力分布状态；
　　3）去除棱边毛刺，倒圆倒角，保证表面之间光滑过渡，提高零件的装配工艺性。
　　4）改善零件表面的光泽度和光亮程度，提高零件表面清洁程度等。
　　2. 光整加工技术特点
　　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，原则上只是前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、刻划的过程，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。
第四节 表面的光整加工
    零件表面的光整加工技术主要是指超精研、研磨、珩磨和抛光加工。这些加工方法的特点是没有与磨削深度相对应的用量参数，一般只规定加工时的压强。加工时所用的工具由加工面本身导向，而相对于工件的定位基准没有确定的位置，所使用的机床也不需要具有非常精确的成形运动。所以这些加工方法的主要作用是降低表面粗糙度值，而形状精度和位置精度则主要由前面工序保证。采用这些方法加工时，其加工余量都不可能太大，一般只是前道工序公差的几分之一。
一、超精研

图 6-10 超精研加工原理
1—工件低速回转运动 2—磨条轴向进给运动
3—磨条高速往复振摆运动
    超精研是降低零件加工表面粗糙度的一种有效的工艺方法，其工作原理及切削过程简介如下。
1. 超精研的工作原理
    超精研是采用细粒度的磨条在一定的压力和切削速度下作往复运动，对工件表面进行光整加工的方法，其加工原理如图 6-10 所示。加工中有三种运动：工件低速回转运动 1、磨条轴向进给运动 2 和磨条高速往复振摆运动 3。这三种运动使磨粒在工件表面上形成不重复的复杂轨迹。
2. 超精研的切削过程
    超精研的切削过程与磨削不同，一般可划分为如下四个阶段：
（ 1 ）强烈切削阶段：超精研加工时虽然磨条的磨粒细、压力小和工件与磨条之间易形成润滑油膜，但在开始研磨时，由于工件表面粗糙，少数凸峰上的压强很大，破坏了油膜，故切削作用强烈。
（ 2 ）正常切削阶段：当少数凸峰被研磨平之后，接触面积增加、单位面积上的压力下降，致使切削作用减弱而进入正常切削阶段。
（ 3 ）微弱切削阶段：随着接触面积逐渐增大，单位面积上的压力更低，切削作用微弱，且细小的切屑形成氧化物而嵌入磨条的空隙中，从面使磨条产生光滑表面，对工件表面进行抛光。
（ 4 ）自动停止切削阶段：工件表面被研平，单位面积上的压力极低，磨条与工件之间又形成油膜，不再接触，故切削自动停止。
    上述整个加工过程所需时间很短，一般约30s左右，生产率较高。
二、研磨
    研磨是一种最常用的光整加工和精密加工方法。在采用精密的定型研磨工具的情况下，可以达到很高的尺寸精度和形状精度，表面粗糙度可达 Rz 0.04 ～ Rz 0.4 ，多用于精密偶件、精密量规和精密量块等的最终加工。研磨加工的基本原理如图 6-11 所示，它是通过介于工件与硬质研具间磨料或研磨液的流动，在工件和研磨剂之间产生机械摩擦或机械化学作用来去除微小加工余量的。

图 6-11 研磨加工原理示意图

1. 研磨加工的特点
（ 1 ）所有研具均采用比工件软的材料制成，这些材料为铸铁、铜、青铜、巴氏合金、塑料及木硬等，有时也采用钢做研具。
（ 2 ）研磨加工不仅具有磨粒切削金属的机械加工作用，同时还有化学作用。磨料混合液或研磨膏使工件表面形成氧化层，使之易于被磨料切除，因而大大加速了研磨过程的进行。
（ 3 ）研磨时研具和工件的相对运动是较复杂的，因此每一磨粒不会在工件表面上重复自己的运动轨迹，这样就有可能均匀地切除工件表面的凸峰。
（ 4 ）研磨可以获得很高的尺寸精度和低的表面粗糙度值，也可以提高工件表面的宏观形状精度，但不能提高工件表面间的位置精度。
2. 研具
    研磨工具的材料应软硬适当，一般选用比工件材料软且组织均匀的材料。
    制造研具的材料，最常用的是铸铁。因铸铁研具适用于加工各种材料的工件，能保证较好的研磨质量和较高的生产率，且研具制造容易，成本也较低。铜、铝等软金属研具较铸铁研具容易嵌入较大的磨料，因此它们适用于切除较大余量的粗研加工。铸铁研具则适用于精研加工。
3. 研磨剂
    研磨剂是由磨料和油脂混合起来的一种混合剂。研磨加工中所使用的磨料主要有：金钢石粉（C）及碳化硼（B4C），主要用于硬质合金的研磨加工；氧化铬（Cr2O3）和氧化铁（Fe2O3）是极细的磨料，主要用于表面粗糙度值要求小的表面研磨加工；碳化硅（SiC）及氧化铝（A12O3）是一般常用的两种磨料。研磨加工中，研磨液（油脂）对加工表面粗糙度和生产率的影响也是不可忽视的。加工中研磨液不禁要起调和磨料和润滑冷却作用，而且在研磨过程中还要起化学作用，以加速研磨过程。目前常用作研磨液的油脂主要有：变压器油、凡士林油、锭子油、油酸和葵花子油等。
4. 研磨参数
（ 1 ）磨料粒度
    磨料的粒度一般要根据所要求的表面粗糙度来选择，粒度越细则加工后的表面粗糙度值越小。粗研时为了提高生产率，用较粗的粒度，如 W28 ～ W40 ；精研时则用较细的粒度，如 W5 ～ W28 ；镜面研磨时则用更细的粒度 W1 ～ W3.5 ，甚至还有用 W0.5 的。
（ 2 ）研磨速度
    研磨时切削速度较低，一般都小于 0.5m／s ，精密研磨时则应小于 0.16m／s 。
（ 3 ）研磨余量
    为了提高生产效率和保证研磨质量，研磨余量应尽量小，一般手工研磨不大于 10μm ，而机械研磨也得小于 15μm 。
（ 4 ）研磨压强
    研磨时所采用的压强，在手工研磨时主要靠操作者的感觉来确定；采用机械研磨时，可用 0.01 ～ 0.03MPa 。若分粗、精研，则粗研时用 0.1 ～ 0.3MPa ，精研时用 0.01 ～ 0.1MPa 。
三、珩磨
    珩磨加工也是常用的光整加工中的一种工艺方法，它不仅可以降低加工表面的粗糙度值，而且在一定的条件下还可以提高工件的尺寸及形状精度。
    珩磨加工过程基本上与超精研加工相同，开始时珩磨头或珩磨轮与工件接触面积小，单位面积压力大，而且珩磨头或珩磨轮上的磨粒有自励性，故切削作用强烈。随着工件加工表面粗糙度的凸峰被逐渐磨平，压强下降，磨粒的切削作用也就逐渐趋于停止。

图 6-12 珩磨运动及其切削轨迹
a) 成形运动 b) 一根油石在双行程中的切削轨迹
1、2、3、4 —形成纹痕的顺序 θ —网纹交叉角
    珩磨加工主要用于内孔表面，但也可以对外圆或齿形表面进行加工。珩磨加工后的表面粗糙度一般为 Rz 0.4 ～ Rz 3.2 ，在一定条件下还可达到 Rz 0.1 以下。珩磨头结构如图 6-12a) 所示。
    珩磨头的油石具有三种运动：旋转运动、往复运动和施加压力的运动径向运动，见图 6-12a) 。旋转和往复运动是珩磨的主要运动，这两种运动的组合，使油石上磨粒在孔的内表面上的切削轨迹成交叉而不重复的网纹，见图 6-12b) ，因此易获得较细的加工表面。径向加压运动是油石的进给运动，加压力愈大，进给量就愈大。
    珩磨头与机床主轴采用浮动联接，以保证余量均匀，因此，珩磨能够修正几何误差而不能修正位置误差。孔的位置精度和孔中心线的直线度要求应在珩前的工序给予保证。
四、抛光

图 6-13 抛光加工原理示意图
    通常所说的抛光与研磨并没有本质上的区别，只是其工具由软质材料制成（如无纺布等）。图 6-13 是抛光加工原理示意图。
    当被加工表面只要求低的粗糙度值，而对形状精度没有严格要求时，就不能用硬的研具而只能用软的研具进行抛光加工。抛光常用于去掉前工序所留下来的痕迹，或者用于“打光”已精加工过的表面。为了得到光亮美观的表面和提高疲劳强度，或为镀铬等作准备，也常采用抛光加工。例如钻头沟的抛光加工及各种手轮、手柄等镀铬前的抛光加工。
    机械抛光所用的研具常用帆布、毛毡等做成，它们可对平面、外圆、沟槽等进行抛光。抛光磨料可用氧化铬、氧化铁等，也可用按一定化学成分配合制成的抛光膏。
    抛光过程中虽不易保证均匀地切下金属层，但在单位时间内切下的金属却是较多的，每分钟可切下十分之几毫米厚的金属层。
    液体抛光是将含磨料的磨削液经喷嘴用 6 ～ 8 个大气压高速喷向已加工表面，磨料颗粒就能将原来已加工过的工件表面上的凸峰击平，而得到极光滑的表面。
    液体抛光所以能降低加工表面粗糙度，主要是由于磨料颗粒对表面微观凸峰高频 (200 ～ 2500 万次／秒 ) 和高压冲击的结果。液体抛光的生产率极高，表面粗糙度可达 Rz 0.8 ～ Rz 0.1 ，并且不受工件形状的限制，故可对某些其它光整加工方法无法加工的部位，如对内燃机进油管内壁等进行抛光加工。
    液体抛光是一种高效的、先进的工艺方法，此外还有电解抛光、化学抛光等方法。
三、采用精密和光整加工工艺
精密加工工艺方法有高速精镗、高速精车、宽刃精刨和细密磨
削等。
1、 光整加工工艺
光整加工是用粒度很细的磨料对工件表面进行微量切削和挤压、擦光的过程。
光整加工工艺的共同特点是；没有与磨削深度相对应的磨削用量参数，一般只规定加工时的很低的单位切削压力，因此加工过程中的切削力和切削热都很小，从而能获得很低的表面粗糙度值，表面层不会产生热损伤，并具有残余压应力。所使用的工具都是浮动连接，由加工面自身导向、而相对于工件的定位基准没有确定的位置、所使用的机床也不需要具有非常精确的成形运动。这些加工方法的主要作用是降低表面粗糙度，—般不能纠正形状和位置误差，加工精度主要由前面工序保证。
(1)珩磨
珩磨是利用珩磨头上的细粒度砂条对孔进行加工的方法，在大批量生产中应用很普遍。

（2)超精加工
超精加工是用细粒度的砂条以一定的压力压在作低速旋转运动的工件表面上，并在轴向作往复振动，工件或砂条还作轴向进给运动
以进行微量切削的加工方法。
(3)研磨
研磨是用研具以一定的相对滑动速度(粗研时取0.67一0.83m/s，精研时取0.1一0.2m/s)在0.12一0.4MPa压力下与被加工面作复杂相对运动的一种光整加工方法。
(4)抛光
抛光是在布轮、布盘或砂带等软的研具上涂以抛光膏来加工工件的。抛光器具高速旋转，由抛光膏的机械刮擦和化学作用将粗糙表面的峰顶去掉，从而使表面获得光泽镜面(Ra＝0.04一0.16ym)。

所谓精整加工就是在保证零件型面精度的前提下，降低零件表面粗糙度的加工方法。目前常用的方法有：手工抛光、超声波抛光、化学与电化学抛光等等。在这些方法中，手工抛光是最常用的精整方法，因为手工抛光运动灵活，可以加工任何复杂的型腔，但同时该方法的劳动强度大，生产效率低，产品的质量没有保障。而其它方法虽然效果也不错，从产品的质量、加工的效率和工人的强度都有很大的改善，但由于模具型腔的复杂性、多样性、不规则性，使得这些加工工具很难完全沿着工件的轮廓线加工、有时受到这些型腔空间的限制，所以很多精整加工方法只能在某些领域有自己的用武之地，却很难广泛地推广使用。

工件表面滚压加工应用研究

hc360慧聪网机械工业行业频道 2004-07-27 08:53:26

    滚压加工是一种无切屑加工。通过一定形式的滚压工具向工件表面施加一定压力。在常温下利用金属的塑性变形，使工件表面的微观不平度辗平从而达到改变表层结构、机械特性、形状和尺寸的目的。因此这种方法可同时达到光整加工及强化两种目的。

　　金属工件在表面滚压加工后，表层得到强化极限强度和屈服点增大，工件的使用性能、抗疲劳强度、耐磨性和耐腐蚀性都有明显的提高。经过滚压后，硬度可提高15～30%，而耐磨性提高15%。

　　滚压加工可以使表面粗糙度从Ra6.3提高到Ra2.4～Ra0.2。并且有较高的生产效率，有些工件可在数分或数秒钟内完成。

　　滚压加工能解决目前某些工艺方法不易实现的关键问题。例如对特大形缸体的加工。同时它也适用于特小孔的精整加工或某些特殊材料的精整加工。

　　滚压加工使用范围广，在各大、中及小型工厂均能使用。不论是从加工质量、生产效率，生产成本等方面来看，滚压加工都是一项比较优越的加工方法。在某些方面，它完全可代替精磨、研磨、珩磨等光整加工。

　　目前，按外力传递到滚压工具的加工方法可分为机械式、滚压式和弹簧式三类。按加工性质，可分为光精加工、强化加工两类。通过不同材质的试验，我们发现：
　　（1）滚压压力选择是否正确，对滚压后表面粗糙度、尺寸、精度都有影响。一般情况下，滚压力增加，表面粗糙度提高。但是滚压力增加到一定程度，表面粗糙度不再提高。如继续增加，滚压表面开始恶化，甚至出现裂纹。
　　（2）提高工件表面粗糙度，采用滚压加工效果最好。在预加工粗糙度达Ra1.6时，只要过盈量合适，粗糙度可达Ra0.2以上。但当预加工粗糙度只有Ra6.4～Ra3.2，加工表面有振动乱刀纹时，那么较深的刀纹不能被滚压光，这只有增加过盈量再次滚压。如果孔的椭圆度和锥度过大，滚压后上述缺陷仍然存在，同时粗糙度大。因此，预加工表面最好小于Ra3.2，几何精度在一、二级以上，能获得小的粗糙度，较理想的精度。
　　（3）材料软，塑性大，容易被滚压光。随着塑性降低，硬度的提高，永久变形量随之减少。一般来说钢和铜的滚压效果较好，铸铁的效果较差。可锻铁，球墨铸铁比灰口铸铁的滚压效果要好。滚压铸铁件时，当铸件的材料硬度不均匀时，被滚压表面的缺陷（气孔、砂眼等）会马上显露出来。因此，当铸件表面缺隐较多，质量较差时不宜采用滚压工艺。
　　（4）滚压过盈量的大小对表面粗糙度和几何精度的影响很大。通过试验得知，最合理的滚压过盈量为0.027～0.036mm，此时得到的表面粗糙度为最小。最大过盈量受多种因素的影响，因此最佳过盈量的确定要根据具体条件多次试验来确定。
　　（5）滚压速度对表面粗糙度影响很小，所以我们可以提高滚压的速度来提高生产效率。
　　（6）滚压的次数不宜太多。一次滚压效果最为显著，可降低粗糙度2～3级。二、三次次之。
　　（7）进给量的大小应按滚珠的直径大小而定。进给量越小，表面粗糙度越小。最佳的进给量应通过试验来确定。
　　（8）滚压工具通常有滚珠、圆柱形滚柱、圆锥形滚柱、滚轮等。但用滚珠作为变形构件可降低整个滚压工具成本。而且滚珠的精度高，硬度高，与工件接触面小，用较小的滚压力，较小的过盈量可获得较高的压强，较小的粗糙度。而且滚珠的使用寿命长，不易磨损，价格便宜，易更换。

　　通过一段时间的实践，初步体会到：
　　（1）滚压效果与上道工序密切相关。如车、镗后，工件表现凹凸程度越大，滚压力势必增大，进给量要减小，滚压效果不佳。若采用尖头车刀，小进给量的方法进行精加工并对工件采用汽油，煤油清洗，在滚压过程中用煤油充分的冷却，可获得表面粗糙度Ra≤3μm加工表面。
　　（2）滚子直径及圆弧半径与加工表面的关系。
　　①滚子直径越大，滚子接触工件表现积越大，塑性变形不充分。
　　②当滚子直径及圆弧半径过小时，会给加工表现留下压痕。实践表明：当滚子直径：D=11～14mm，R=3～5mm时，滚压进给量，S=0.035～0.1mm时滚压效果最好。滚压前后的尺寸公差按直径计算可缩小10～15%。
　　总之，关于滚压方面的研究我们只是刚刚开始，经验不足，试验数据不全，有待今后的更进一步的探索。
对于尺寸精度和表面粗糙度要求很高的零件，一般都要进行光整加工。平面的光整加工方法很多，一般有研磨、刮研、超精加工、抛光。下面介绍研磨和刮研。
　　（一）研磨
　　研磨加工是应用较广的一种光整加工。加工后精度可达IT5级，表面粗糙度可达Ra0.1~0.006μm。既可加工金属材料，也可以加工非金属材料。
　　研磨加工时，在研具和工件表面间存在分散的细粒度砂粒（磨料和研磨剂）在两者之间施加一定的压力，并使其产生复杂的相对运动，这样经过砂粒的磨削和研磨剂的化学、物理作用，在工件表面上去掉极薄的一层，获得很高的精度和较小的表面粗糙度。
　　研磨的方法按研磨剂的使用条件分以下三类：
　　1．干研磨　　研磨时只需在研具表面涂以少量的润滑附加剂。如图8-12a所示。砂粒在研磨过程中基本固定在研具上，它的磨削作用以滑动磨削为主。这种方法生产率不高，但可达到很高的加工精度和较小的表面粗糙度值(Ra0.02～0.01μm)。
　 2．湿研磨　　在研磨过程中将研磨剂涂在研具上，用分散的砂粒进行研磨。研磨剂中除砂粒外还有煤油、机油、油酸、硬脂酸等物质。在研磨过程中，部分砂粒存在于研具与工件之间，如图8-12b所示。此时砂粒以滚动磨削为主，生产率高，表面粗糙度Ra0.04～0.02μm，一般作粗加工用，但加工表面一般无光泽。
　　3．软磨粒研磨
　　在研磨过程中，用氧化铬作磨料的研磨剂涂在研具的工作表面，由于磨料比研具和工件软，因此研磨过程中磨料悬浮于工件与研具之间，主要利用研磨剂与工件表面的化学作用，产生很软的一层氧化膜，凸点处的薄膜很容易被磨料磨去。此种方法能得到极细的表面粗糙度(Ra0.02～0.01μm)。
脉冲电化学光整加工在模具镜面抛光中的应用
1 引言
    近年来, 随着工业设备和产品不断地向精密化方向发展, 传统加工方法很难胜任高精度的加工要求, 特别是对高镜面抛光性能要求的模具材料, 问题尤其突出。因此,采用新型加工工艺,在光整加工领域中有着不可替代的优越性。
    作为新型加工技术一个很重要的分支, 电化学加工以其加工效率高、工具无损耗、加工后工件表面无热影响层、结构表面光滑、无内应力、无裂纹、加工不受材料硬度的限制等优点, 在光整加工领域中得到快速的展。而普通的电化学加工存在加工精度不高的缺点。
    怎样提高电加工的精度, 一直是国内外电加工试验研究的主要目标和热点,虽取得一定的进展,但仍没有得到很好的解决。直到上世纪90 年代,随着新型电子器件的发展, 英、美、俄等国相继进行了脉冲电化学加工技术的基础试验研究, 以及此项新技术的应用研究, 使得脉冲电化学加工作为新型光整加工工艺,较大幅度地提高了加工精度,有效地改善了加工件的表面状况。
    脉冲电化学加工是以周期式间歇供电代替连续供电的加工方法。与传统的直流电解加工相比, 脉冲电化学加工能从根本上改善电化学加工间隙的流场、电场及电化学过程,从而得到了较高的蚀除能力及较小的加工间隙, 因而给出了在保证加工效率的条件下实现模具镜面抛光的可能性。
2 脉冲电化学加工概述
    当电流通过电极及电解质溶液时, 在电极表面及电解质溶液中发生氧化还原反应, 利用这种电化学作用对金属材料加工的方法称作电化学加工法。电化学加工具有无电极损耗、加工表面无变质层、无应力层等显著优点, 在很大程度上可以弥补机械加工后表面质量不尽如人意的不足, 因而在众多领域应用广泛。但由于传统连续直流电流在电化学加工中精度不高的原因, 已无法满足现代生产微细化的要求,在这种情况下,人们发现了脉冲电流。
2. 1 脉冲电流与直流电流
    脉冲电流是随时间作周期性脉动变化, 单方向流动的电流。脉冲电流加工实质上是利用有规律的间歇供电进行间歇加工。目前所采用的脉冲电化学加工, 是20 世纪70 年代初发展起来的一种电化学加工工艺方法。20 世纪80 年代,RUMYANTSEV E M从以下2 个方面对加工机理进行了初步归纳, 指出脉冲电化学加工与连续加工的直流加工相比较, 可以改善电解间隙内流场特性的机理。
   (1) 能有效地影响阳极溶解过程动力学, 提高加工精度。当采用脉冲电流取代直流进行电解加工时, 所加脉冲电流在开始的瞬间, 需消耗一部分电量用于充双电层, 即提高了电流密度, 有利于减小加工间隙, 使电解作用主要在指定加工区进行, 而在非指定加工区电解作用甚微,可以提高复制精度。
   (2) 在脉冲间歇时间内, 间隙通道中的电解产物、析热、析气得以充分排出, 电解液得以更新, 此外, 还能产生电流的瞬时, 在加工间隙中产生同步的析气压力波, 促进电解液的扰动。因而可改善流场, 降低对电解液流动特性的要求, 有利于获得稳定的、理想化的加工过程。当采用非线性的钝化型电解液加工时, 脉冲电流则可以进一步增强电解液的非线性特性。
由于上述2 个方面特点, 脉冲电流加工可获得较高的加工精度和表面质量,除了生产率一项指标以外(由于占空比的存在, 影响加工效率) , 其余特性均优于直流加工, 如图1 所示。实验数据见参考文献。
2. 2 高频、窄脉宽脉冲电源
    虽然脉冲加工的精度较直流有所提高, 特别是整平比更为明显, 但采用的频率较低(工频级) , 脉宽较大(ms 级) , 仍然接近于直流, 故脉冲效应未充分发挥, 效果仍不够理想, 加工间隙较大, 精度不够
高,而加工效率则有所降低。用周期对刀、周期进给的小间隙加工、大间隙冲刷的模式来达到较高的加

2. 3 脉冲电化学光整加工以及机械光整加工
    脉冲电化学光整加工是在脉冲电化学加工的技术上发展起来的新型抛光工艺, 主要是利用金属在非线性电解液中的电化学阳极溶解去除少量金属表面层,从而对工件表面进行抛光,达到降低工件表面粗糙度值和提高工件表面物理机械性能的一种表面光整加工方法。
    脉冲电化学机械光整加工则是在脉冲电化学光整加工的基础上加入了机械加工, 利用磨料磨具对金属表面的挤压、刻划和微量磨削来提高表面粗糙度水平。作为复合加工方式, 兼具了脉冲电化学加工和机械加工的某些特点, 使得加工范围更为广泛,加工效率更高。
    脉冲电化学光整加工、脉冲电化学机械光整加工与机械抛光相比, 除了都同时降低了工件表面粗糙度值以外, 还改善了工件表面微观几何形貌,提高了工件的精度保持性、接触刚度、疲劳强度和耐腐蚀性, 降低了摩擦系数、初磨损、磨损后间隙和黏附性, 提高了工件的几何性能和精度, 从而进一步提高工件的使用性能和使用寿命; 脉冲电流加工对原始表面的质量要求较直流加工要低, 而且由于阳极特性和流场特性的改变, 使其在加工中对参数的要求范围更加宽松, 加工状态更为稳定, 较直流加工对工件表面有更强的整平能力; 采用中性电解液污染小, 加工范围广, 无附加残留应力, 因此是一种很有发展前途的光整加工工艺。
2. 3. 1 脉冲电化学光整加工
    脉冲电化学光整加工是采用脉冲电源代替直流电源, 利用非线性电解液、工具阴极与工件阳极之间保持较小的加工间隙的一种工件表面光整加工方法。只要改变工具阴极的形状, 就既可用于规则表面的光整加工, 也可用于不规则自由曲面的光整加工,加工适应性较强。
    在脉冲电化学光整加工过程中, 由于电解液高速流过加工区, 使加工区域的流场状况得到改善;电解液的间断、周期性更新使间隙中的电解产物得以及时排除, 因而可在更高的电流密度和更小的加工间隙下工作。采用高电流密度有利于表面加工质量的提高, 而缩小间隙可以显著改善加工精度。此外, 脉冲电流加工提供了更多的可调参数, 为过程控制提供了更大便利; 使用高频、窄脉宽电流有利于加工过程的稳定, 可显著改善表面质量。经试验研究和实际生产验证, 脉冲电流电化学光整加工采用脉冲电流替代直流电流, 可显著改善零件表面加工质量, 只需极少的加工次数即可达到要求的表面粗糙度, 工件具有极好的光亮度, 并且在改善光整加工质量的同时可显著提高生产效率。
2. 3. 1. 1 抛光机理及实验设计
    根据大量的实验研究和理论分析, 认为脉冲电化学抛光的机理主要是: 由于工件表面的微观几何形廓是凹凸不平的(见图2) , 在微观凸出部分离工具阴极距离近且生成的氧化膜易扩散, 而在微观凹处离工具阴极距离远且生成的氧化膜不易扩散, 因而微观凸出部分的电阻小于微观凹处,由U = I R 可知, 当极间电压U 一定时电阻R 越小则电流强度I越大, 即微观凸出部分的电流强度大于微观凹处。由电解定律V = It 可知, 在相同的时间内微观凸出部分的蚀除量大于微观凹处; 而微观凸出部分的比面积小于微观凹处, 由i = I/ A 可得, 微观凸出部分的电流密度大于微观凹处, 即微观凸出部分电力线分布密集, 由深度蚀除速度Va =ηωi , 可得微观凸处部分的蚀除速度大于微观凹处。由于微观凸处部分的蚀除量和蚀除速度均大于微观凹处, 周而复始最终达到整平工件表面,降低表面粗糙度值,并出现光亮效果的目的。

    脉冲电化学抛光加工实验原理如图3 所示。加工时工具接脉冲电源阴极,工件接阳极工具,并和工具保持一定的加工间隙, 使具有一定压力的电解液从间隙中流过,这时工件的金属被逐渐溶解,电解产物被高速流动的电解液带走, 当满足一定条件时即可达到抛光的目的。

2. 3. 1. 2 影响加工质量的主要因素分析
    通过实验研究发现, 电解液的成分、电解液质量分数、电解液流速、电解液温度、电流密度、阴阳极之间的间隙、脉宽、占空比、加工时间等因素对脉冲电化学光整加工后的表面质量都有影响。在这诸多因素中, 尤其以电流密度、加工间隙、电解液溶质质量分数、脉宽等因素影响最为显著,图4 试验结果来自文献。

    (1) 电流密度。由深度蚀除速度Va =ηw i 可知,电流密度越大则其深度蚀除速度越快, 但是由当电流密度过大时, 会增加电能的消耗, 加剧杂散腐蚀,同时会使整平能力下降; 电流密度过小则不能消除前一工序的遗留误差, 并且蚀除速度过低, 延长加工时间并产生杂散腐蚀, 影响加工质量, 降低生产率。实验发现电流密度只在某一个恰当的范围
(15～30 A/ cm2) 才能达到抛光整平的效果。
    (2) 加工间隙。根据深度蚀除速度Va 与加工间隙t 的关系:
Va = C/ t
     式中C 是与工件材料、电解液参数、电压等有关的一个物理量, 当材料、电解液参数、电压均保持稳定时, C 是一个常量。
由上式可知, 深度蚀除速度与加工间隙成反比。减小加工间隙,会提高电流密度和电压梯度,能够有效地抑制杂散腐蚀, 有利于消除工件表面微观不平度, 降低表面粗糙度; 但间隙过小, 则间隙中电解液很少, 迅速电解, 很难形成稳定的加工过程, 这就对电解液流速要求很高, 对于复杂形状的工件来说则很难达到, 同时使电解产物产生的热量不易排除,反而降低蚀除速度或引起短路。此外,合理的流场、电解液的流速和压力与工艺参数的适当配合,也是影响光整加工表面的主要因素。
    (3) 电解液。电解液的成分和浓度是影响光整加工质量的主要因素。一般而言, 电化学加工电解液中电解质组成成分的选择应遵循效率原则、成本原则和安全生产原则。根据电化学脉冲光整加工的机理, 电解液的主盐应在非线性电解液中选择。非线性电解液是指电解加工的电流效率随电流密度的变化而变化的电解液。常见的非线性电解液主盐有硝酸钠(NaNO3) 、亚硝酸钠(NaNO2) 和氯酸钠(NaClO3) 三种。表1 列出了这三种电解液的主要性能及相关参数, 经过对比发现硝酸钠水溶液各项性能参数指标比较适宜。
此外, 电解液的浓度也对加工精度