淺談平面超精研磨工藝

煤直接液化裝置上用的金屬密封球閥,其嚴(yán)苛工況對密封面粗糙度和平面度提出更高的要求，采用傳統(tǒng)的研磨工藝，加工后的零件表面粗糙度只達(dá)到Ra0.4，無法滿足超精密封技術(shù)要求，超精研磨工藝研究已然成為閥門行業(yè)的一個(gè)重要課題。

　　下面對平面密封面技術(shù)要求進(jìn)行簡要分析

　　以規(guī)格為6"，2500LB煤化工樣機(jī)平面密封面技術(shù)要求為例，其閥體和閥座零件密封面材質(zhì)分別為STL21和NI-WC，硬度均≥45HRC，光潔度要求Ra0.1，平面度要求0.01。尤其閥體平面密封面處于內(nèi)孔底面，具體如圖1所以，技術(shù)要求難點(diǎn)主要體現(xiàn)在如下兩方面：



　　(1)平面度要求較高。采用車削加工方式，在切削條件理想狀態(tài)下精度可保持在0.02左右(因密封面所處位置原因，無法采用磨削方式加工)。

　　(2)粗糙度要求較高。常規(guī)切削方式粗糙度保持在Ra0.8左右，無法達(dá)到Ra0.1要求。

　　超精研磨加工

　　在結(jié)合傳統(tǒng)的研磨工藝基礎(chǔ)上超精研磨各個(gè)工藝環(huán)節(jié)的影響因素進(jìn)行分析，形成圖2所示超精研磨工藝的輸入樹形結(jié)構(gòu)圖。



　　研磨劑

　　(1)磨料

　　碳化硼(B4C)是已知最堅(jiān)硬的三種材料之一，具有高硬度、高耐磨性和易碎性較低等特性，并且在研磨過程中破碎后仍保持一定的鋒刃，可作為硬質(zhì)合金材料(尤其對于NI-WC密封面，其硬度≥63HRC)研磨磨料首選。

　　而對于粗糙度要求在Ra0.1密封面而言，磨料粒度選用也尤為重要。傳統(tǒng)的研磨采用粒度為W28微粉進(jìn)行研磨，在一定狀態(tài)下研磨粗糙度可達(dá)到Ra0.4，采用差值法，在其基礎(chǔ)上磨料粒度尺寸上升4倍要求，具體粒度選用如表1所示。



　　(2)研磨機(jī)

　　濕式研磨對液態(tài)研磨劑組成要求較高，而研磨液在研磨過程中主要使磨料均勻分散懸浮在研磨劑中，并起稀釋、潤滑和冷卻等作用。錠子油具有極佳散熱性能和良好的防銹性及防腐蝕性，而石蠟具有一定的粘度，使得磨料能懸浮在液體中，將錠子油和石蠟、磨料按照一定比例加熱調(diào)和，可滿足超精研磨需要。但隨著環(huán)境溫度差異配比也存在一定差異，具體以研磨過程中研磨劑有著良好的流動(dòng)性，短時(shí)內(nèi)磨料無明顯沉淀現(xiàn)象為準(zhǔn)。

　　研具

　　球墨鑄鐵因含有球狀石墨組織，提高了塑性和韌性等機(jī)械性能，耐磨性相對于其他鑄鐵更好，更加均勻更容易嵌存磨粒，結(jié)晶細(xì)密，組織要均勻，適合于超精研磨用研具，但不允許存在縮孔、縮松以及氣孔、夾砂、砂眼、斷裂等鑄造缺陷，硬度控制在170HB~220HB之內(nèi)。

　　從遵循母性原則出發(fā)，當(dāng)研具表面大于被研磨零件便面時(shí)，零件便面的形狀精度很大程度上取決于研具本身。考慮采用平臺(tái)或平板研具對零件進(jìn)行研磨，密封面平面度要求0.01，為保證研具平面度(通常研具的精度是零件精度的三倍以上)，采用三塊經(jīng)過精磨后的平臺(tái)進(jìn)行三板互研法以達(dá)到真平平面。

　　當(dāng)被研工件不懂而研具動(dòng)時(shí)，研具形體結(jié)構(gòu)的確定應(yīng)在基本滿足剛性的前提下，盡可能考慮到便于夾持，而且體小重量輕，形體結(jié)構(gòu)對稱，保證運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)等特點(diǎn)?？稍谘芯弑砻骈_不少于4條溝槽(如圖3)，溝槽可儲(chǔ)藏過剩的磨料，使磨料不至于淤積而影響加工精度，同時(shí)也可儲(chǔ)藏研磨中產(chǎn)生的切屑，避免劃傷工件表面。還有提高切削能力和加工散熱等作用。



　　研磨壓力、速度及時(shí)間

　　(1)研磨

　　研磨壓力是影響研磨過程的重要工藝參數(shù)。施加于研具上的力，通過磨粒而作用到被研磨表面上。研磨壓力對研磨劑中的磨粒濃度選擇有一定的影響。

　　當(dāng)磨粒粒度確定后，對于某一確定單位研磨壓力，有一個(gè)產(chǎn)生最大生產(chǎn)率的磨料濃度。單位濃度過小，研磨作用就很微弱。隨著單位壓力的增大，研磨作用增加，研磨效率提高，但當(dāng)單位壓力增加到某一數(shù)值后呈現(xiàn)寶盒傾向，研磨效率達(dá)到最大值。此后若再增加研磨壓力，效率反而下降。具體分析為磨粒具有一定的抗壓強(qiáng)度極限，當(dāng)超過此極限時(shí)就會(huì)被壓碎，使磨料變細(xì)，研磨能力下降。一般粗研壓力控制在0.2MPa~0.4MPa，精研壓力控制在0.04MPa~0.1MPa。具體研磨壓力和磨料濃度、研磨效率關(guān)系如圖4所示。



　　(2)研磨速度



　　研磨速度是控制余量去除速度和研磨表面質(zhì)量的重要工藝參數(shù)。圖5為工件余量去除、研磨便面粗糙度與研磨速度的關(guān)系曲線。為了獲得規(guī)定的表面粗糙度而必須耗費(fèi)的研磨時(shí)間大于去除余量所需的時(shí)間，就應(yīng)適當(dāng)降低研磨速度，反之一樣，而平面研磨時(shí)速度可參照表2選取研磨速度。研磨速度對余量去除和表面粗糙度的影響對研具的磨損影響很大。研磨速度過快時(shí)，研具急劇磨損，可能引起工件的熱變形，直接影響加工精度。因此，為了避免研磨磨損過快，可根據(jù)實(shí)際情況，在表2基礎(chǔ)上選取1/3~1/2范圍進(jìn)行研磨。



　　(3)研磨時(shí)間

　　通常密封面在研磨前，通過其他加工方式獲得預(yù)加工精度，研磨開始階段，因研磨劑磨粒鋒利，微切削作用強(qiáng)，零件研磨表面的幾何形狀誤差和粗糙度較快得以糾正。隨著研磨時(shí)間延長，磨粒鈍化，微切削作用下降，不僅加工精度不能提高，反而因熱量增加造成表面質(zhì)量下降。所以，粗研時(shí)在規(guī)定工藝參數(shù)內(nèi)，選用較粗的研磨劑、較高速度和研磨壓力下進(jìn)行研磨，以較快地消除幾何形狀誤差和切去較大的加工余量，通常即可完成粗磨，以密封面全部研磨出為準(zhǔn)。一般精研時(shí)間約為5min~10min，超過10min研磨效果不明顯。

　　拋光

　　完成研磨后的密封面，便面采用酒精或丙酮清洗器密封面，為防止研磨過程中磨料鑲嵌密封面表面，采用羊毛氈拋光輪上沾一定金屬拋光膏進(jìn)行拋光，以達(dá)到清除表面殘余磨料，并在密封面表面形成氧化膜提高密封面質(zhì)量。

　　研磨過程工藝要點(diǎn)

　　(1)磨前先將零件加工表面和平板清洗干凈，將研磨劑均勻涂于零件待修表面上，并放于研磨板上。

　　(2)研磨時(shí)用手輕按住零件，使磨痕交叉以提高表面粗糙度等級，研磨一段時(shí)間后，將零件轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度再繼續(xù)研磨。同時(shí)適時(shí)、適量添加研磨劑，保證研磨劑流動(dòng)連續(xù)性。

　　工件研磨千基礎(chǔ)技術(shù)要求

　　為提高工件超精研磨質(zhì)量和效率，對研磨前工件平面形位公差、光潔度及研磨余量進(jìn)行定義：

　　形位公差

　　平面度保證在0.02范圍內(nèi)，超精研磨主要功能提高工件表面光潔度，對形位公差其輔助修正作用。

　　粗糙度

　　粗糙度要求控制在Ra0.8以內(nèi)，粗糙度不高，變相增加研磨量江都研磨效率，同時(shí)因研具和工件相關(guān)作用，降低研具使用周期，密封面研磨質(zhì)量得不到保證。

　　研磨余量

　　因研磨過程幾乎無任何切削作用，對工件余量切削微乎其微，適量控制研磨余量尤為重要，通常研磨余量控制在0.02mm~0.04mm。

　　結(jié)束語

　　通過對超精研磨每個(gè)工藝環(huán)節(jié)逐一分析，并和傳統(tǒng)研磨工藝相結(jié)合，形成合力的工藝以滿足超精平面研磨需要，并最終達(dá)到超精冰面研磨需要，并最終達(dá)到超精密封面技術(shù)要求，對后期煤化工等新品開發(fā)提高了重要的工藝技術(shù)保證，為公司承接嚴(yán)苛工況訂單奠定重要基礎(chǔ)。