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滚光技术的研究与应用(一)

来源:滚光技术的研究与应用(一)作者:李经理网址:http://www.jnusm.net
文章附图

副箱减速齿轮锥面部分表面粗糙度小于0.4μm,仅用CBN刀片车削锥面虽然可以达到要求的表面质量,但生产成本较高,每刀尖仅能加工15~20件零件。而引入滚光加工的工艺,能够在不引起尺寸变化的前提下降低零部件的表面粗糙度值、提升表面质量,节约加工成本。经批量试验验证,滚光技术可以保证零件质量,切实可行。

工厂轴类零件及盘齿轮类零件经过热处理后,由于个别尺寸及表面质量要求较高,需要进行热处理后加工。现行的加工方法一般是热后磨削,能过获得较高的尺寸精度及表面质量。个别盘类齿轮内孔结构不便于砂轮磨削,采用热后车削加工,这种加工方法虽然效率高,不产生粉尘,但是加工所用的CBN刀片成本较高,且加工效果不稳定,容易造成表面粗糙度超差的情况。所以,急需一种新的工艺手段来改善目前热后车削加工中存在的问题。滚光技术有望解决粗糙度值得超差问题,并通过提高每片CBN刀片的加工数量,降低加工成本。

滚光技术介绍

1. 原理

滚光技术是一种无屑压力光整加工技术,也叫滚压技术。它利用金属在常温状态下的可塑性变形特征,通过滚光刀(或者成为滚压刀、挤光刀、挤压刀)对加工工件表面施加一定压力,使金属表面产生塑性变形,将微观表面的波峰挤压至原始残留的低凹波谷处,达到降低表面粗糙度,提高加工表面质量的目的。

  图2 车削、磨削及滚光表面轮廓

2. 基本过程

滚光加工时,滚光刀头以一定的压力压在孔壁上,工件做旋转运动,滚光刀沿着工件做轴向进给。

滚光过程可以分解为碾入区、塑性变形区及平滑区,图1所示为宝力士金刚石滚光刀刀头加工示意图。在碾入区域,滚珠和加工面开始接触,慢慢加压,微观不平的波峰、波谷被碾平;在刀头下端最大负载作用后,在平滑区域开始弹性复原,刀头渐渐与加工表面分离。

3. 加工优势

图2所示为车削、磨削、滚光及表面轮廓图。车削以及磨削都是靠切除表面材料来实现尺寸及粗糙度的要求。车削加工后,工件表面会有明显的刀纹,刀纹的大小与刀尖圆弧半径、最后一刀的切深及刀具的进给有关系,将会直接影响加工表面的粗糙度。磨削可以获得很好的表面质量,但加工中存在粉尘污染,且效率相对较低。

     图4 滚光刀结构

滚光技术具有以下优势:

  1)滚光加工过程中,不会有料屑产生,能够改善现场工作环境。

2)滚光加工基本不改变工件尺寸,却可以大大提高工件的表面质量,获得镜面效果,使加工面具有卓越的滑动性、密封性及结合性。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%,耐磨性提高15%。

3)滚光刀具应用范围广,可以直接装入车床、加工中心等多种机床,无需液压机组等外围设备,减少初次投入,不占用生产现场空间资源。

滚光技术应用

1. 加工零件

选取盘齿轮零件为例,如图三所示。该零件材料为8620H,热处理为渗碳淬火,热处理后表面硬度达58~63HRC。锥面粗糙度要求为Ra0.4μm,原加工方案采用CBN刀片加工,刀尖圆角为R0..加工车床选用斗山PUMA305,加工参数为恒线速度260m/min,每转进给量为0.06mm/r,切削深度ap约为0.2mm。一个刀尖加工15~20件即超出表面粗糙度要求,生产成本较高。

2. 加工方案

在热处理车削后加入滚光工步,考虑到零件结构的特殊性,定制非标滚光刀具,考虑到滚光刀具的应用具备通用性,调整了金刚石刀头的圆角半径为R2标准头。

使用的滚光刀结构如图4所示。金刚石刀头连接在杠杆的一端,杠杆的另一端与一弹簧相连(弹簧隐藏在中间刀体中)。当金刚石大头接触到加工表面后,另一端的弹簧被压缩。随着滚光刀压入量的增加,弹簧压缩的距离变长,滚光刀提供的滚压力也随之变大。

在保证刀片加工参数不变的条件下,增加滚光工步,滚光刀所使用切削用量采用推荐最高值,恒线速度为150m/min,每转进给量为0.15mm/r。

3. 滚光后的效果验证

通过测量不同压入量零件滚光前后的锥面深度尺寸,得到表1所示的数据。

抽取6件零件,然后车削锥面后,取下测量表面粗糙度;重新装夹,用宝力士滚光刀加工锥面,再测量表面粗糙度,整理数据得到表2。

由表1可见,滚光前后锥面深度尺寸的变化量范围在0.005~0.015mm之间,并随着压入量的增大而增大。考虑检具的制造公差、锥面深度的尺寸公差以及测量误差,滚光技术应用后,不同压入量对尺寸产生的变化可忽略不计。表2反映了滚光技术对于改善加工表面粗糙度的效果。

由于我们所使用的加工参数为推荐的最高值,在长期的验证中发现滚光刀头寿命短,容易磨损。分析现场加工环境及滚光刀的使用情况后,决定通过改变切削液喷射路径、调整滚压刀及改进切削参数来提升滚光刀的使用效果。