镜面抛光技术的进展

李卫权

(东华大学机械工程学院，上海 201620)

引 言

近年来，机械零件的精整与光饰加工技术在国内各行各业应用十分广泛。随着我国机械装备制造业的迅速发展，在该领域，抛光技术的需求和应用也越来越广泛。如纺织机械中PAN碳纤维、高强度聚乙烯及长丝及改性涤纶等新材料的生产设备制造技术;印刷机械中的新型高档印刷机的精密制造;煤矿机械高端液压支架的研制和开发等。在这些设备中使用的一些机件，如沟槽辊、导丝辊、压辊、热辊、串水辊或活柱等零件，设计要求机械性能、辊体精度、公差尺寸和动平衡等级都非常高，部分辊体表面镀覆层外观质量要达到超镜面效果。为使产品满足设计要求，需要深入研究机械零件抛光加工技术，找到切实可行的工艺加工方法。

通过对零件抛光技术文献的研究，发现目前关于这方面的综合研究及应用的文献资料发展较快，但与电镀铬工艺、喷涂陶瓷工艺相结合的参考文献并不多。如果将机械零件抛光制造领域的研究成果加以总结完善，并且予以应用和推广，将会极大提升国内相关行业产品的核心竞争力。

1 抛光加工的地位和作用

目前，先进制造技术已经是衡量一个国家经济发展的重要手段之一。许多发达国家都十分重视先进制造技术的发展和水平，将它作为本国的科技优先发展领域和高技术的实施重点。它能够对产品革新、扩大再生产和提高国际市场经济竞争能力带来巨大影响，成为当今世界各国发展国民经济的重要举措。有关数据显示，工业化国家中有70% ～80%的物质是制造业创造的［1］，而先进制造技术能够通过不断对制造技术优化和创新，实现制造企业及其产品对动态多变市场的适应性和核心竞争能力的发展目标。因此先进制造技术已成为衡量一个国家综合实力和科技发展水平的重要标志。作为先进制造技术的一个重要组成部分，抛光加工可以明显改善机件表面的粗糙度及装饰效果，并保持其精度的稳定性。随着制造业装备的进一步发展，将会对抛光加工技术提出更高的要求。

2 抛光加工技术研究现状

目前，对抛光加工机理，国内还缺乏有针对性的系统研究，对抛光加工新技术和新工艺的加工动态过程也缺乏系统的认识，阻碍了抛光加工技术的进一步发展［1］，从而也影响了抛光加工技术的完善、应用和推广。对于抛光加工的重要作用，国内大部分企业还缺乏必要的认识，对抛光加工技术的本质还没有真正理解和掌握，即使采用同样的工艺，质量与国外同类产品相比，差距也很明显。近年来，随着国内机械装备制造领域技术的不断发展，各行各业在设备开发过程中出现了一些传统工艺难以加工的工件，这些工件对表面质量要求很高，设计外观呈镜面或超镜面效果。如何研究开发出新的抛光加工工艺解决好这些技术难题，是相关制造企业面临的一项新课题。2011年，国内一家碳纤维设备的使用厂家，对于设备中的导丝辊、沟槽辊等关键零件，提出不但要从零件加工精度方面高标准，还要求外观达到超镜面视觉效果。应该以对待工艺品表面质量的态度去制造加工，成品总装后，件件都是精品。

现阶段，国内大多数企业仍然采用传统的机械抛光加工工艺，磨轮与机件表面初始接触时，磨损量较大，机件表面精度无法保证。在磨具的强力挤压作用下，尖点金属开始产生塑性流动而被强制压入到微观凹坑内，隐藏了其表面真实形貌。在后期的使用过程中，由于疲劳磨损引起不断脱落，表面质量变得越来越差;经这种工艺加工过的零件，外观光亮但没有明显镜面效果，表面粗糙度只能达到Ra0.1μm左右，且不易保证工件尺寸。而经非传统及复合抛光加工的机件，其微观表面形貌为波浪状或圆弧凹坑状，摩擦系数较低，磨轮与机件表面初始接触时，磨损量较小，精度保持性良好，耐磨损、耐腐蚀和抗疲劳性能明显改善，表面粗糙度可达到Ra0.001μm，具有超镜面视觉效果。代表着未来抛光加工技术的发展方向。因此必须从实际出发，研究和开发适合我国制造业抛光加工的新技术，尽快缩短与国外发达国家之间的差距。

我国的抛光加工技术起步较晚，20世纪60年代开始对化学及电化学抛光技术的研究，但发展较慢。20世纪80年代初，脉冲电化学加工和电化学机械抛光加工技术在我国得到迅速发展。在电化学机械抛光加工、脉冲电化学机械抛光加工方面，大连理工大学进行了广泛而深入的研究，创造了较好的社会效益和经济效益。在最近几年中，太原理工大学一直在探索新的研究方法，希望运用数字试验和物理试验结合的方法，建立数学模拟仿真模型，对抛光加工技术进行微观加工机理的研究和先行数值试验，完成设备的结构和加工参数的优化，为抛光加工技术的研究提供了新的途径。2011年，在中国国际表面处理展会现场，西班牙奥特普(AUTOPULIT)自动抛磨机有限公司，已通过建模和计算机仿真，生产出应用计算机控制的超精密机械抛光数控设备，工件抛光后可以达到超镜面视觉效果。

3 抛光加工技术发展趋势

抛光加工技术按照加工时能量的作用形式，主要可分为机械法、化学和电化学法、热能法三大类。这种分类方法有助于理解某种具体抛光加工技术的机理和本质。根据磨料或磨具在加工过程中所处的状态，机械法又可分为自由磨具抛光加工和非自由磨具抛光加工两种形式［2］。

抛光加工技术的功能主要有:改善表面粗糙度，消除划痕、夹灰和细微裂纹等缺陷;降低表面摩擦系数，提高耐磨性;提高零件表面物理力学性能，改善零件表面应力分布状态;提高零件精度，保证装配工艺性;改善零件表面的光泽度、光亮程度，符合清洁生产要求;提高零件及整机的使用寿命;提高镀覆层与基体的结合力，满足外观装饰性要求等。

从抛光加工发展的过程来看，大体经历了手工研磨和抛光→机械抛光加工→非传统抛光加工→复合抛光加工四个阶段，由此可见，其发展趋势是在不断改善机件表面质量的同时，提高生产效率;在保证机件高精度要求的同时，实现机件批量生产的机械化、自动化、柔性化和智能化。

精密和超精密加工技术、微细和超微细加工技术是现代制造技术的一个重要发展方向，研究和开发新的复合抛光加工技术，解决不断涌现的新型材料和复合材料超精密加工的新课题，值得科技工作者认真探索和研究。目前，实现这些加工所采用的方法主要有电解磨削、磁流体研磨、化学-机械抛光(CMP)加工、脉冲电化学机械抛光加工、磁粒抛光加工、电化学磁粒抛光加工和研磨液体射流加工等技术［3-5］。其中CMP技术已应用于微电子机械系统、光学玻璃、精密阀门及金属材料等制造领域;电化学磁粒抛光技术在对不锈钢、铅-锑合金等材料的精加工应用中效果良好。进入21世纪，国内外越来越多的技术研究和产品制造都正在通过计算机建立数学仿真模型实现，产品的质量品质得到了很大的提高，同时大大缩短了产品的研发周期，开发成本显著降低［6］。近年来，中国科学院光电技术研究所根据Preston方程，建立了磁流体辅助抛光数学模型，研究分析了磁流体辅助抛光后抛光区的形貌，得到表面粗糙度为Ra0.76nm的光学元件。同时他们在大型非球面光学镜面的数控加工技术方面取得了令人瞩目的发展，成功研制出CCOM1600计算机控制抛光机，可对d=1300mm抛面主反射镜进行加工，代表了我国在抛光技术装备方面的制造水平。在国际上，超精密加工技术处于领先地位的国家主要是美国、英国和日本。这些国家在这个领域的加工技术不仅总体成套水平高，而且商品化的程度也很高。英国的Cranfeild大学的精密工程研究所(简称CUPE)在全球享有较高的声誉，研制的大型超精密金刚石车床加工的非球面反射镜最大d可达1400mm，已成功应用在X射线天体望远镜上;CUPE最新研制的Nanocentre(纳米加工中心)，是一种超精密复合加工系统，可进行超精密车削、磨削和抛光，工件加工精度可达0.1μm，表面粗糙度Ra＜10nm，代表世界领先水平［1］。

4 镜面抛光技术的研究

4.1 金属的机械抛光

4.1.1 基体表面对镀覆层的影响

金属基体的初始表面往往覆盖着氧化层、油层和普通沾污层，这些表层附着物妨碍电镀液或涂层与金属基体充分接触，影响着表面镀覆层的外观色泽、结晶粗细、致密性、结合力及均匀度等。只有去除这些附着物，露出金属的自然色泽和表面金相组织结构，镀覆层才能在其表面正常生成。

在表面处理过程中，金属基体表面的机加工纹路、毛刺、锈层、夹灰、结瘤及固体颗粒等必须清除干净，尽可能降低其表面粗糙度，确保工件表面光滑、平整。否则很难获得致密，孔隙率低，高平滑性的镀覆层。在电镀过程中，基体表面与镀层是通过金属键结合，镀件表面粗糙度越低，其结合力越好;而在热喷涂陶瓷过程中，涂层与基体表面通过机械咬合作用结合，基体表面粗糙度越低，涂层表面越光滑，孔隙率越低，耐蚀性越高。另一方面，基体表面的粗糙度越低，电镀时其表面真实电流密度较高，很容易达到金属的沉积电势，反之则不容易达到金属的沉积电势，在电镀过程中伴随有大量氢气的析出［7］。

4.1.2 基体表面的整平机理

目前国内大部分制造商在辊轴类零件抛光加工过程中，普遍采用非自由磨具机械法抛光加工技术。应用最为广泛的是干性磨轮抛光法［8］，有生产效率高，投入成本较低，适合批量性生产加工等特点，但粉尘和噪音均较大，抛光精度及工件表面粗糙度较差，表面粗糙度最低为 Ra0.045 ～0.070 μm，外观呈镜面装饰效果;另一种为湿性砂带抛光法，设备前期投入成本较高，生产过程无粉尘，噪音也较低，抛光精度高，工件表面粗糙度最低为 Ra0.001 ～0.005μm，外观呈超镜面装饰效果，但生产效率较低，适合高精度、小批量生产。干式抛光时，磨轮表面涂有抛光蜡，沿切线方向高速旋转并与机件表面接触，由于切削力的强力挤压作用，在机件表面产生高温，金属基体表面产生塑性形变，尖点金属开始产生塑性流动而被强制压入到微观凹坑内，凹进的部分被填平，在高温作用下，一层极薄的氧化膜或其他化合物膜层在金属表面快速生成，膜层经过反复抛光，表层形貌得到了改善，最终形成光滑平整具有镜面装饰效果的表面［9］;湿式砂带抛光时，砂带通过接触轮与工件被加工表面接触。接触轮材质一般为橡胶或塑料，砂带基底材料是布、纸或聚酯薄膜，它们都有一定的弹性，磨削时，由于磨粒的挤压作用，机件加工表面同样会产生塑性变形，但由于弹性变形区的面积较大，磨粒承受的载荷较小，受力也较均匀。从加工原理分析，湿性砂带抛光采用细化磨粒、载体研磨带和加工液的多种组合，兼有研磨和抛光的作用，是一种复合加工技术。在机件表面进行超精密振动研磨，达到超镜面的装饰效果。

4.2 金属表面电化学抛光

4.2.1 电化学抛光的原理

电化学抛光一般采用以磷酸为主的电解抛光液，零件为阳极。在电解过程中，对具有微观粗糙的零件进行处理，金属工件产生阳极溶解，其表面粗糙度降低，能获得镜面光亮与整平的精饰加工效果，可用于装饰性电镀的前处理［10］。多年来，由于电化学抛光过程的复杂性，各种电化学抛光机理都存在一定的局限性，至今没有获得较为统一的理论。

根据电解液组成、阳极金属的性质，选取不同的电解液浓度、温度、电流密度等工艺参数，在阳极表面可能存在以下三种反应［11］:

1)金属的溶解 Me－2e→ Me2+;

2)阳极表面生成钝化膜 Me－2e+H2O→MeO+2H+;

3)气态氧的析出 2H2O－4e→4H++O2↑。

4.2.2 电化学抛光的特点

电化学抛光的光亮性和整平性比较好，溶液使用寿命长，抛光速度快，抛光效率高。零件表面及板材冲孔边缘毛刺去除效果好，表面粗糙度可以降低2～3级，光反射率高，装饰效果较好，对零件几何形状要求不高［12］;光亮处理后的不锈钢产品及各种金属构件无氢脆性，工件无变形等［13-14］，抛光设备与工装夹具简单，投资较小。

电化学抛光缺点在于:不同金属材料电解液的通用性较差;较难保持零件尺寸和几何形状的精确度;金属基体表层的纯度和组织均匀性对最终表面质量影响较大;金属表面的微观裂纹、夹灰等缺陷经电化学抛光后被有效放大。

4.2.3 电化学抛光新技术

近年来，精密与超精密加工技术在制造业中发展迅速，磁场、脉冲及超声波等技术与自动化、智能化技术相互融合形成的一些复合电化学抛光技术也不断获得突破［15］，传统的抛光加工工艺越来越难以满足高精度抛光的要求。如何才能更有效地提高电化学抛光的效率，实现自动化电化学抛光，进一步降低机件的表面粗糙度，成为国内外重点研究的课题［16］。

4.3 金属表面超声波抛光

4.3.1 超声波抛光原理

工作原理是通过具有适当输出功率(50～1000W)的超声高频振动系统产生的超声振动能量附加到抛光工具(硬质滚轮等)或作用于待加工金属工件表面，从而使工具或工件以高频、小振幅进行超声频机械振动摩擦，使工件表层金属产生塑性变形，在塑性变形的过程中达到为工件抛光目的的表面抛光加工方法。抛光过程中产生了冷作硬化，达到了改善表面质量的目的。这种表面质量的改善是综合的，既有硬度的提高，又有表面粗糙度降低，同时也弥合了一些微观裂纹，提高了工件的疲劳强度、耐磨性和耐腐蚀性。

4.3.2 超声波抛光的特点

与传统的砂纸砂光、抛光、磨削比较，超声波抛光加工具有以下一些优点［17］:

1)滚轮与工件的接触为断续捶击，减小了相互间的摩擦，加工区温度大幅度降低，避免了因温度过高造成的表面缺陷;

2)表面粗糙度大幅度降低，可以降低三级以上，达到 Ra0.02μm 以下;

3)有效提高已加工表面的耐磨性、耐腐蚀性以及抗疲劳强度。超声波抛光加工表面属于压缩型塑性变形，工件表面会产生一定的压应力，表面硬度提高20%以上，疲劳强度提高一倍左右;

4)设备投资较少。经过简单改装，在普通车床上即可进行抛光加工，对大型和超大型工件，抛光效果更为明显;

5)不产生切屑，生产效率较高。其加工效率相当于精车，抛光硬质合金的生产效率比普通抛光提高近20倍;

4.3.3 超声波抛光应用范围

超声波抛光加工设备可用于内外圆表面、平面的加工，如各种缸体内外圆、液压活塞杆或冶金大型钢轧辊等，可直接替代磨削和珩磨;所加工的金属种类比较宽泛，加工后，金属表面最高硬度可达HRC60。

5 两种技术的有效结合

机件表面经过机械抛光加工、电化学抛光加工后，进行电镀铬或喷陶瓷处理，再进行超精密振动研磨抛光，将改善零件镀覆层表面的质量。粗糙度、孔隙率明显降低。用时代TR200粗糙度测试仪检测，高速卷绕头压丝辊镀铬件辊体表面光亮带粗糙度可达Ra0.001μm，外观呈超镜面视觉效果，呈像清晰;电抛光不锈钢镀铬导丝板表面粗糙度可达Ra0.1μm，外观呈镜面视觉效果;长丝FDY热辊表面陶瓷层粗糙度可达Ra0.1μm，外观呈镜面装饰效果［18］。经过超声波抛光加工过的机件，金属基体的表面硬度提高20%以上，硬度最高可达HRC60，疲劳强度可提高近一倍，表面粗糙度可以降低三级以上，最高可达Ra0.02μm以下，外观呈镜面视觉效果，大大改善了传统工艺镀铬加工后机件表面的综合机械性能及装饰效果。

6 结语

综上所述，在对机件镀覆层的加工过程中，将机械抛光加工、电化学抛光加工、超声波抛光加工与电沉积工艺、喷涂陶瓷工艺有效地结合起来，在保证零件高精度的同时，使机件表面达到镜面装饰效果，大幅度提高机件和整机设备的综合使用性能。该项技术具有较高的市场推广价值，产品附加值较高，将提升制造业产品的核心竞争力，也符合现阶段我国制造业发展的方向。

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