超精加工方法和应用

中车北京南口机械有限公司 北京 102202

1 序言

超精加工是一种对工件表面光整和精整的加工方法。它可以在很短的时间内，将工件从一般磨削后的表面粗糙度值R a=0.2～0.4μm，降低到R a=0.012～0.050μm，消除磨削中的缺陷和变质层，使工件的使用寿命提高几倍，因而广泛应用于各种材料和精密零件的最终加工中。

2 超精加工的原理和特点

2.1 超精加工的原理

超精加工是采用磨料为微粉的油石，在一定的压力作用下，以短行程的往复运动，对工件表面进行微量磨削，如图1所示，其中F为压力，A为油石振幅，vc为工件速度，vf为纵向进给速度。

图1 超精加工工作原理

超精加工广泛应用于内燃机曲轴、凸轮轴、刀具、轧辊、轴承滚道和滚子、精密量具及电子仪器等精密零件的加工，能对钢、铸铁、磷青铜、铝、玻璃、花岗岩、硅和锗等材料进行加工，能加工外圆、内圆、平面、球面、圆弧面和特殊轮廓面。

2.2 超精加工的特点

与磨削加工相比，超精加工具有以下特点：①超精加工能显著提高工件表面质量，可使工件的使用寿命提高5倍左右。②超精加工后的工件在装配运转后噪声大幅减小，振动减小，运转平稳。③磨削加工去除余量为0.01mm左右，而超精加工去除余量为0.001mm以下，尺寸分散度小且稳定。④磨削加工的工件表面有微观尖峰，加工纹理为直纹（见图2a），当工件运转时，难存润滑油，还会产生烧伤。而超精加工表面没有尖峰，加工纹理为交叉网纹（见图2b），易存润滑油和形成润滑膜，工件不易磨损。⑤超精加工时间短，只需几秒到十几秒，加工效率是高精度镜面磨削的几十倍。⑥超精加工所用设备简单，易于实现自动化和标准化，表面粗糙度值Ra可达0.006～0.05μm。

图2 磨削表面与超精加工表面的比较

3 超精加工方法

超精加工各种工件内外表面，工件在夹具中的定心方式可分为无定心和有定心两种。根据进给方式可分为轴向进给、切入进给和圆周进给。

3.1 超精加工外圆

图3a所示为加工小直径圆柱体外圆，工件在导辊上旋转并做轴向进给运动，导辊近似双曲线体且较长，无级变速传动。图3b所示也是加工圆柱体外圆，工件在圆柱导辊上旋转，无轴向进给，可加工阶梯轴和大直径工件。图3c、3d所示分别为采用轴向进给和双顶尖定位，加工较长、直径较大的圆柱体和圆锥体工件。

图3 超精加工外圆

3.2 超精加工轴承滚道

图4a所示为采用切入式加工轴承内环滚道，工件采用有心和无心夹具夹持。为了使滚道中部截面呈微凸1～4μm，把油石修成中凹形状。图4b所示为采用轴向进给、两端停留来加工大型轴承凸形圆锥滚道。为了使油石在两端略做停留，一般超精头采用凸轮机构。图4c所示为加工轴承球形滚珠滚道，工件用有心或无心夹具夹持，工件旋转，油石摆动并加压。图4中f为油石振动频率，A为振幅，p为油石压力。

图4 超精加工轴承滚道

3.3 超精加工球面

如图5所示，超精加工球面时，油石和工件旋转，油石在旋转中摆动。为了便于冷却和润滑，在油石工作面开有窄槽。

图5 超精加工球面

3.4 超精加工平面

图6a所示为超精加工矩形平面，根据工件宽度和长度，可采用切入式或轴向进给式加工。图6b所示为超精加工圆形平面，工件旋转，油石振动，油石的长度必须超过工件半径，而且偏离工件中心。图6c所示为采用圆柱油石超精加工环形平面，工件旋转，油石除旋转外还做径向振动。图6d所示为超精加工滚轮端面，因在径向方向的各点切削速度不同，为了达到相同的磨除量，应把油石做成外缘窄、内缘宽的形状。

要实现超精加工，除工件的合理运动外，就是依靠油石在超精头上的振动。可实现振动的机构很多，常用的有气动振动超精头和机械振动超精头，其振动频率f可达1000～3000次/min，振动行程A为1～6mm。

4 超精油石的选择

超精加工用的油石与一般油石不同，要求油石粒度和硬度均匀、稳定，自锐性好。

（1）油石磨料 白刚玉（WA）常用于粗超精加工及半超精加工抗拉强度较高的碳钢、合金钢、工具钢和淬火钢；绿碳化硅（GC）常用于精超精加工硬脆材料，如硬质合金、铸铁、有色金属、玻璃和玛瑙等；立方碳化硅（SC）的脆性比碳化硅低，性能比碳化硅优越，可代替碳化硅用于超精加工；人造金刚石（D）主要用于硬质合金、玻璃、陶瓷、半导体和石材等硬度较高的材料加工；立方碳化硼（CBN）的脆性比碳化硅低，硬度仅次于金刚石，比较锋利，超精加工时发热量少，加工效率高，油石寿命长，主要用于难加工材料，用于一般材料也很好；氧化铬硬度低，切削性能弱，但光整性能好，主要用于要求表面粗糙度值极低的表面。

（2）油石粒度 磨料粒度是根据工件表面粗糙度值和加工效率要求来选择的。超精油石的粒度一般为W5～W28。工件表面粗糙度值的大小与磨料粒度大小成正比，粒度粗则加工效率高，反之则低。粒度为W20～W28时，表面粗糙度值Ra可达0.1～0.2μm；粒度为W5～W10时，表面粗糙度值Ra可达0.012～0.025μm。

（3）油石结合剂 常用的油石结合剂有树脂或石墨。

（4）油石的硬度 当工件材料硬，油石与工件接触面积大时，油石应软一些，反之则硬一些。一般油石的硬度为30～100HRH。

（5）油石的组织 超精油石应选用9～12号疏松组织。油石的气孔率宜为43%～49%，以便容纳切屑、脏物和润滑油。

图6 超精加工平面

（6）油石的处理 超精油石在烧结后必须经过处理，以达到自锐、耐用和润滑的目的。处理时渗蜡、硬脂酸或硫磺，方法是将其中一种加热熔化，把油石放入其中一定的时间，取出冷却即可。当油石硬度过高、自锐性差时，可将油石放入3%氢氧化钾溶液中煮一定时间，使油石硬度下降到所需值后，放入流动热水漂洗，清除氢氧化钾后，再用清水煮1～2h，即可使用。

5 超精加工工艺参数

（1）超精加工余量 在保证前工序缺陷能去除的基础上，余量越小越好。前工序表面粗糙度值Ra达到0.8μm时，在直径上的余量为0.01～0.02mm；前工序表面粗糙度值Ra达到0.2～0.4μm时，取余量为0.003～0.01mm。

（2）油石压力 一般取20～30MPa。粗超精加工取大值，精超精加工取小值。

（3）纵向进给速度 一般＜7m/min，短件为1.0～1.5m/min。

（4）油石振动频率f和振幅A一般振动频率f=300～3000次/min，振幅A=1～6mm。

（5）工件速度 粗超精加工时vc=4～15m/min，精超精加工时vc=15～30m/min。

6 超精加工用切削液

超精加工应采用切削液，并要求黏度低一些，以利于清洗、润滑和排除切屑。一般采用80%煤油+20%机械油。还可以采用含S、P、Cl极压添加剂的油类切削液。精加工铝和轴承钢时，也可以全部采用煤油。切削液必须经过严格过滤，以保持清洁。

7 结束语

实践证明，超精加工是一种快捷有效的光整加工方法，运用面广，实用性强。可用于磨削后的工件表面和各种精密零件内外表面的最终加工。本文介绍了超精加工的原理和方法，正确选择油石、工艺参数和切削液，可快速消除磨削缺陷，降低表面粗糙度值，并使超精加工后的工件表面形成有利于存留润滑液的网状纹理，提高使用寿命。

专家点评

超精加工广泛应用于各种精密零件的最终加工。作者详细介绍了超精加工的原理和特点，以及超精加工各种工件内外表面的运动形式和操作方法，通过对油石、工艺参数和切削液的正确选择，快速降低加工表面的表面粗糙度值，提高工件的使用寿命。

作者具有丰富的实践加工经验，善于观察超精加工中的每一个细节，文章非常具有说服力。